DE1547298C - Ultraschallkamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallkamera mit einem Ultraschallgenerator und damit gekoppelter Beschallungsflüssigkeit zur Aufnahme eines zu untersuchenden Gegenstandes, bei welcher ein in der Beschallungsflüssigkeit angeordneter Schirm zu Schwingungen angeregt wird und bei welcher die Schirmschwingungen durch Interferenz von vom Schirm reflektierter Strahlung zur Erzeugung einer Abbildung verwendet werden. Mittels einer solchen Kamera können Ultraschallschwingungen in festen oder flüssigen Medien sichtbar gemacht werden.

Eine Ultraschallkamera wurde erstmals in den dreißiger Jahren von B. Y. Sokoloff vorgeschlagen. Spätere Konstrukteure sind im wesentlichen diesem Vorschlag gefolgt. Derselbe besteht in der Verwendung einer Elektronenkamera mit einem in eine Flüssigkeit eingetauchten piezoelektrischen Auffänger. Die an der Vakuumröhre der Kamera angeordneten piezoelektrischen Kristallplatten wandeln die Ultraschallschwingungen in elektrische Potentiale um, die ihrerseits einen Abtastelektronenstrahl beeinflussen, dessen Bewegungen schließlich auf einem Kathodenstrahlröhrenschirm sichtbar gemacht werden.

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

Die bekannten Ultraschallkameras müssen klein sein, da das Aufnahmegehäuse einerseits dünnwandig sein muß und andererseits den vollen Atmosphären-Vakuum-Druckunterschied aushalten muß. Auch bei einem dünnwandigen Gehäuse kann der Wellenwiderstand des Schirmes nicht an den Wert von Wasser 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 Ultraschallkameras die erwähnten störenden Interferenzerscheinungen und stehenden Wellen möglichst gering zu halten und außerdem die Kameraabmessungen frei von den bisherigen Größenbegrenzungen zu halten.

Die oben angegebene Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der sich innerhalb der Beschallungsflüssigkeit befindende elastische Schirm eine Reflexionsfläche aufweist, auf welche von einer Strahlungsquelle aus kohärente elektromagnetische Strahlung gerichtet ist, und daß in einer Überlagerungseinrichtung die an der Reflexionsfläche reflektierte und entsprechend deren Schwingungen freqiienzmodulierte Strahlung mit einer gegenüber der Richtung dieser reflektierten Strahlung in einem bestimmten Winkel ausgerichteten kohärenten Bezugsstrahlung überlagerbar ist, wobei mindestens ein Teil des reflektierten Strahlungsanteils gegenüber dem Bezugsstrahlungsanteil eine Phasenverschiebung (von 90°) aufweist, so daß die Ultraschall-Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation des Lichts umgewandelt wird. ■

Ein wesentliches Erfordernis für eine solche Ultraschaükamcra ist also ein Schirm, der Lichtwellen reflektiert und der trotzdem völlig an den akustischen Widerstand von Wasser angepaßt ist, so daß er der Bewegung desselben folgt, und, wenn überhaupt, nur unmerklich Ultraschallwellen reflektiert. Ein erstes Beispiel für einen solchen Schirm ist eine dünne Membran aus einem Stoff, wie z.B. Nylon oder Mylar od. dgl., der auf einer Seite eine dünne Metallbeschichtung aufweist, so daß er eine spiegelnd reflektierende oder streuende Beschichtung hat. Ein zweites Beispiel hierfür ist eine dünne, metallisierte Kugelschale aus bezüglich des akustischen Widerstandes gut an Wasser angepaßtem Kunststoff, deren Dicke ein kleines ganzzahliges Vielfaches der halben Schallwellenlänge beträgt, damit die an der Vorder- und Rückseite reflektierten Wellenanteile einander auslöschen. Solche Schirme stellen somit kein Hindernis für die Ultraschallwellen dar, doch ihre Auslenkungen sind viel zu klein, als daß man diese durch ein herkömmliches optisches Verfahren sichtbar machen könnte. Die Geschwindigkeitsamplitude der Wasserteilchen und damit des Schirmes liegt nur in der Größenordnung von 0,38 cm/sec bei einer Ultraschalleistung von

1 mW/cm², und zwar unabhängig von der Frequenz, und die Verschiebungsamplitude beträgt nur

2 · 10~⁸ cm bzw. 2 A bei einer Frequenz von 3 MHz. Diese kleinen Schwingungen können durch eine

neuartige Anwendung von Laserstrahlung sichtbar gemacht werden. Der schwingende Schirm wird nämlich mit einem Laserstrahl beleuchtet, und das reflektierte Licht wird durch noch im einzelnen zu beschreibende Einrichtungen beobachtet. Das an dem schwingenden Schirm reflektierte Licht ist infolge des Dopplereffekts frequenzmoduliert, doch diese Modulation ist so geringfügig, daß sie für normale Einrichtungen völlig unsichtbar bleibt. Wenn die Maximalgeschwindigkeit des schwingenden Reflektors ν ist, beläuft sich der Frequenzhub auf einen Bruchteil ±2 · v/c der Lichtfrequenz mit c als Lichtgeschwindigkeit. In dem obigen Beispiel mit einer Ultraschallleistung von 1 mW/cm² auf dem Schirm belauft sich dieser nur auf einen Bruchteil 2,5 · 10~^a der Laserlichtfrequenz. Diese geringfügige Frequenzmodulation wird in folgender Weise sichtbar gemacht: Ein Anteil des Laserlichtstrahls wird abgespalten und dem von dem schwingenden Schirm zurückkommenden Anteil überlagert. Dieser Anteil, dessen Frequenz unverändert ist, kann als Bezugsstrahl dienen. Seine Intensität wird vorzugsweise der Intensität des reflektierten Abbildstrahls gleichgemacht. Durch geeignete Festlegung der optischen Wege der beiden Strahlenanteile wird ihre gegenseitige Phasenbeziehung so eingestellt, daß mindestens ein Teil des Abbildanteils eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem Bezugsstrahl, mit dem er überlagert wird, aufweist. Der betreffende Anteil des Abbildlichtbündels besitzt also eine Phasenvoreilung oder eine Phasennacheilung um eine Viertelwellenlänge in dem Überlagerungsbereich am Ort eines photoelektrischen Wandlers, der als Ausgangsstufe der Gesamteinrichtung dient. Wie noch im einzelnen gezeigt werden wird, erfolgt dadurch eine Umwandlung der Ultraschall-Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation des Lichts auf Grund der Interferenz zwischen dem Abbildlichtbündel und dem Bezugslichtbündel.

Es ist praktisch unmöglich, eine genaue 90°-Phasenverschiebung zwischen beiden Strahlen in einem Interferenzgerät zu erhalten, dessen einer Bauteil aus einer nachgiebigen Membran besteht, da eine Verschiebung derselben um eine Viertellichtwellenlänge die Ampli-

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tudenmodulation völlig auslöscht. Diese Schwierigkeit bares Bild des schwingenden Schirms erzeugen. Dies wird nach der Erfindung in folgender Weise behoben: reicht für Schattenbilder von Gegenständen ähnlich Die Phasendifferenz zwischen dem Abbildlichtbündel den Radiographien aus und bei Verwendung einer und dem Bezugsbündel wird nicht konstant gehalten, Ultraschallinse, die den Gegenstand auf dem Schirm sondern ändert sich im wesentlichen gleichmäßig 5 abbildet, kann man auch Bilder des Gegenstandes längs des Schirms, beispielsweise von links nach selbst erhalten. Man kann auch Bilder der Gegenrechts. Dies wird bei den verschiedenen Ausführungs- stände oder Querschnittsbilder derselben ohne Ultraformen der Erfindung auf unterschiedliche Weise er- schallinsen oder Spiegel erhalten. Danach wird zweckreicht. Nach einer Ausführungsform der Erfindung mäßig dem Abbildultraschallstrahl ein kohärenter wird der Schirm gleichmäßig mit Laserlicht bestrahlt, io Bezugsultraschallstrahl beigemischt, wobei die beiden und ein Bild des Schirms wird durch ein optisches Strahlen gleichzeitig auf dem Schirm auftreffen. System erzeugt. In diesem Fall bildet das nach Durch diese einfache Maßnahme kann man jede Reflexion von dem Schirm zurückkehrende Licht- Ebene des dreidimensionalen Gegenstandes in Form bündel ein Wellenfrontfeld. Dem wird ein Wellen- eines sichtbaren Bildes abbilden,
frontfeld des Bezugsbündels überlagert, das eine ahn- 15 Diese auffallende Erscheinung läßt sich kurz als liehe Form und gleiche Quererstreckung aufweist, bei »Wellenfrontrekonstruktion«, »Holographie« oder dem jedoch die Wellenfronten unter einem bestimmten »Photographie ohne Linse« erklären (D. Gabor, Winkel gegenüber den Wellenfronten des ersten Feldes »Proc. Roy. Soc«, A 197, S. 457 bis 484, 1949; liegen. Infolgedessen führen die beiden Wellenfront- »Proc. Phys. Soc«, B 64, S. 449 bis 469, 1951; felder zu einem System beispielsweise vertikal ver- 20 E. N. Leith und J. Upatnieks, »J. Opt. Soc. laufender Interferenzstreifen. Deren Abstand wird Amer.«^ 53, S. 1377 bis 1381, 1963). Die mathemavorzugsweise gleich oder etwas kleiner als die Auf- tischen Zusammenhänge sind ähnlich, wenn auch die lösungsgrenze des Ultraschallbildes gemacht. Der physikalischen Verhältnisse in beiden Fällen verrelative Phasenwinkel des Reflexionsstrahls und des schieden sind. In der Holographie wird ein Gegen-Bezugsstrahls ändert sich zwischen je zwei benach- 25 stand mit kohärentem Licht beleuchtet, und das an harten Interferenzstreifen um eine volle Periode. Wie dem Gegenstand reflektierte oder gebeugte Licht wird später noch bewiesen werden wird, ergibt sich auf auf einer photographischen Platte aufgefangen, die Grund dieser Überlagerung, daß jeweils in der Zone gleichzeitig durch ein kohärentes, vorzugsweise Parzwischen zwei benachbarten Interferenzstreifen zwei alJellichtbündel als Bezugsbündel beleuchtet wird, Linien mit reiner, unsichtbarer Frequenzmodulation 30 welch letzteres unter einem Winkel zu der Platte ausliegen, daß sich jedoch jeweils zwischen zwei der- gerichtet ist. Das entstehende Hologramm enthält in artigen Linien ein Gebiet befindet, wo die Frequenz- Codeform alle Information über den Gegenstand, modulation in eine Amplitudenmodulation umgewan- der zwei- oder dreidimensional sein kann. Das auf delt ist und wo sich die Intensität periodisch mit der dem Schirm durch Überlagerung des Abbildlicht-Ultraschallfrequenz ändert. Diese Intensitätsmodula- 35 bündeis und des Bezugsbündels erhaltene Ultraschalltion ist ziemlich gering, nämlich bei dem obigen Bei- bild ist ein Schallhologramm. Man kann dann das spiel mit 1 mW/cm² Schalleistung etwa Viooo im Zen- Schirmbild photographieren und in gleicher Weise trum des Gebiets und ²·⁵/ιοοο im Mittel, doch wird sie wie in der Holographie behandeln, d. h., es entmittels einer photoelektrischen Einrichtung sichtbar wickeln und mit einem kohärenten Bezugslichtbündel gemacht, deren Ausgang an einen Wechselspannungs- 40 beleuchten. Der Gegenstand erscheint dann vor oder verstärker angekoppelt ist, der auf die Ultraschall- hinter der photographischen Platte, und zwar vollfrequenz abgestimmt ist. Eine oder mehrere solcher ständig entschlüsselt, d. h. in natürlicher Form. Doch abgestimmter photoelektrischer Einrichtungen tasten es hat sich gezeigt, daß dies nicht erforderlich ist. das gesamte Bildfeld ab,-und deren verstärkte und Wenn die Abtastbildebene nicht das optische Schirmgleichgerichtete Ausgangsspannung wird auf einer 45 bild ist, ist das durch Abtastung einer solchen Ebene Kathodenstrahlröhre od. dgl. zur Anzeige gebracht. erhaltene Bild immer noch eine optische Darstellung Da innerhalb des Auflösungsabstandes des Bildes einer entsprechenden Fläche des Ultraschallraumes, zwei aktive Modulationsgebiete vorhanden sind, tritt Dies beruht darauf, daß das beschriebene Nachkein Informationsverlust ein. Die Abtastblende der weisverfahren phasenempfindlich arbeitet, wo die photoelektrischen Einrichtung muß halb so groß wie 50 Überlagerung eines kohärenten optischen Bezugsder Auflösungsabstand oder etwas kleiner sein, damit Strahls und Verstärkung des Wechselspannungsanteils sich dieses Ergebnis einstellt, da jeweils benachbarte in einem abgestimmten Verstärker erfolgt. Man erhält aktive Gebiete jeweils eine gegenphasige Modulation jeweils dann Maxima, wenn der Abbildstrahl eine aufweisen. 90°-Phasenverschiebung gegenüber dem Bezugsstrahl

Nach anderen Ausführungsformen der Erfindung 55 aufweist, und Minima, d. h. Nullwerte, wenn eine

wird nicht jeweils ein vollständiges Bild des Schirmes gleichphasige oder gegenphasige Beziehung vorliegt,

abgebildet, sondern der Schirm wird durch minde- Die Wirkung ist dieselbe wie in der Holographie,

stens einen Laserstrahl abgetastet, der mit einem Be- lediglich mit dem Unterschied, daß in der Hologra-

zugsstrahl zur Interferenz gebracht wird. In diesem phie Maxima einer gleichphasigen und Minima einer

Fall sind höchstens Teilwellenfronten vorhanden, 60 gegenphasigen Beziehung entsprechen, wogegen in

doch die vorstehende Lehre führt dazu, daß sich die vorliegendem Fall Minima bei einer 90°-Phasenver-

Phasendifferenz zwischen dem Abbildstrahl und dem Schiebung auftreten. Dies ist jedoch einer Verkürzung

Bezugsstrahl, die in der photoelektrischen Ausgangs- der Wellenlängen des Abbild- und Bezugsstrahls in

einrichtung miteinander interferieren, im wesentlichen der Holographie auf die Hälfte gleichwertig, wobei

gleichförmig während der Abtastung ändern muß, 65 sich die Anzahl der Interferenzstreifen verdoppelt,

was durch noch zu beschreibende Baugruppen er- Dies beeinflußt überhaupt nicht die Lage der Flächen,

reicht wird. wo sich die beiden Strahlen in konstanter gegen-

Bisher sind Maßnahmen beschrieben, die ein sieht- seitiger Phasenbeziehung befinden, daher liegen diese

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Flächen im optischen Bildraum genau wie bei der licher Widerstand oder eine Reflexion bemerkbar

Holographie an gleicher Stelle. Folglich enthält der machen.

optische Raum dasselbe vollständige Bild wie der Der schwingende Schirm 5 ist durch einen Laser-Schallraum und kann tiefenmäßig erfaßt werden. strahl 51 beleuchtet, der durch eine Linse 7 und ein Eine solche dreidimensionale Darstellung des Schall- 5 strahlaufspaltendes Prisma 8 tritt. Die Abbildung feldes in dem Lichtfeld kann jedoch nur bei solchen erfolgt durch eine Linse 9, die ein Bild des Schirms 5 Ausführungsformen der Erfindung erhalten werden, in einer gestrichelt eingezeichneten Ebene erzeugt, wo der gesamte Schirm oder mindestens ein Haupt- Ein Laserlichtanteil ist in dem Prisma 8 abgespalten teil desselben gleichzeitig durch ein Linsensystem be- und fällt in Form einer schiefwinkelig ausgerichteten leuchtet und abgebildet wird. Wenn der Schirm durch io ebenen Welle auf die Bildebene ein. Die Bildebene einen fokussierten Lichtstrahl abgetastet wird, kann wird über eine Linse 11 mittels mindestens einer man unmittelbar nur ein Bild des Schirms selbst Photozelle 12 punktweise abgetastet. Der Photoerhalten. . Zeilenausgang liegt an einem Wechselspannungsver-

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die stärker 52 an, der auf die Ultraschallfrequenz ab-

Zeichnungen besser verstanden. Es stellt dar 15 gestimmt ist, und die gleichgerichtete Ausgangsspan-

■ ■ F i g. 1 eine schematische Darstellung einer grand- nung des Verstärkers wird in einer Kathodenstrahl-

legenden Ausführungsform der Erfindung mit einem röhre 13 od. dgl. angezeigt, vorzugsweise in einer

schwingenden Schirm in Form einer dünnen ebenen speichernden Kathodenstrahlröhre. Diese Darstellung

Membran, dient ledislich zu einer einfachen Erläuterung des

F i g. 2 eine Darstellung eines Laserspektrums, 2° Grundgedankens der Erfindung und um alle Teile,

F i g. 3 die Grundzüge der Umwandlung der Fre- wie das Gehäuse 1, die Schallquelle 3 und den Ge-

quenzmodulation in eine Intensitätsmodulation, genstand 50 zu zeigen, die in den späteren Figuren

F i g. 4 a und 4 b verschiedene Ansichten eines ver- nicht mehr abgebildet sind. Diese Anordnung ist

besserten optischen Aufbaus mit einem sphärischen jedoch, wie die folgende quantitative Untersuchung

Schirm und einem Überlagerungsteil zur Überlage- 35 zeigen wird, für die praktische Verwendung nicht

rung eines Ultraschallbezugsstrahls auf dem Schirm, ausreichend.

F i g. 5 a bis 5 c drei Ansichten einer Abtasteinrich- Zur quantitativen Untersuchung der Wirkungs-

tung zur Aufzeichnung und Anzeige der Ultraschall- weise dieser Anordnung wird zunächst die Struktur

bilder, . eines Strahls betrachtet, der von einem Gaslaser

Fig. 6a bis 6c und 7a und 7b jeweils Ansichten 30 emittiert wird. Die Ausgangsstrahlung besteht norweiterer Ausführungsformen der Erfindung, wo der malerweise aus einer Anzahl von Liniengruppen, die Laserstrahl in einen schmalen Streifen auf dem jeweils einem Übergang entsprechen. F i g. 2 zeigt die Schirm fokussiert ist, der mittels einer optischen Ab- Struktur einer solchen Gruppe. Beim Fehlen des tasteinrichtung rechtwinkelig zu sich selbst verscho- Lasereinflusses würde die Linie eine Dopplerben wird, und wobei der Ausgang mittels mehrerer 35 breite W_D in der Größe von 1000 MHz aufweisen, parallel zueinander angeordneter photoelektrischer Der Lasereinfluß, d. h. die angeregte Emission, spaltet Fühler abgenommen wird, und diese Linie in eine Anzahl sehr schmaler Linien auf,

F i g. 8 a und 8 b eine weitere Ausführungsform der die jeweils einer Hohlraumeigenschwingung entErfindung mit einem in einen Leuchtfleck auf dem snrechen. Zum Zwecke der Erläuterung sei ein Schirm fokussierten Laserstrahl, der den Schirm 40 Helium-Neon-Gaslaser mit einer Wellenlänge von zweidimensional abtastet, während das Ausgangs- 6328 Ä und von 1 Meter Länge zwischen den Spiesignal über einen einzigen photoelektrischen Fühler geln angenommen. Derselbe hat eine Frequenz abgenommen wird. 7 = 4,7 · 10¹⁴Hz, und zwischen den Spiegeln liegen

Fig. 1 zeigt in einem schematischen ebenen Riß 1>⁵⁸ · 10⁶ Wellenlängen. Wenn der Laser in geeigeine Ausführungsform der Erfindung. Ein Gehäuse 1, 45 neter Weise aufgebaut ist, beispielsweise mittels dessen Größe zur Aufnahme eines Gegenstandes 50 sphärischer Spiegel, treten nur longitudinale Eigenausreicht, enthält Wasser oder ein anderes Strömungs- schwingungen auf, die jeweils entsprechend einer mittel. Wo Ultraschallwellen auf die Gehäusewan- Wellenlänge gegeneinander verschoben sind, d.h. düngen treffen können, sind diese mit einem Absorp- frequenzmäßig um einen Bruchteil von 1/1,58 · 10^e, tionsstoff 2, beispielsweise Schaumgummi, ausge- 50 ^{was zu} einem Frequenzabstand zwischen den Laserkleidet, damit Reflexionswellen und stehende Wellen linien von etwa 300 MHz führt. Andererseits liegt die unterdrückt werden. Ausgenommen hiervon sind Breite w der Laserlinien in der Größenordnung zwei Fenster, eines für den Lichteintritt und das einiger weniger kHz oder darunter,
andere für den Lichtaustritt, die jeweils so klein als Zunächst sei nur eine Laserlinie der Frequenz γ möglich gemacht sind. Eine Ultraschallquelle 3, bei- 55 betrachtet, die an dem mit einer Amplitude ν schwinspielsweise ein zur Resonanz angeregter piezoelek- genden Schirm reflektiert wird. Dies erzeugt eine trischer Kristall, ist innerhalb des Gehäuses unter- Frequenzmodulation der Laserlinie mit einem Fregebracht, und ein parabolischer Reflektor 4 wandelt quenzhub von ± 2 · (v/c). Mit anderen Worten ändert das divergierende Strahlenbündel in ein Parallelstrahl- sich nach F i g. 3 der Phasenvektor des reflektierten bündel, das auf einen Schirm 5 gerichtet ist. In dem 60 Lichts mit der Ultraschallfrequenz / um seine Mittelvorliegenden Beispiel ist der Schirm 5 eine sehr dünne lage· Der halbe Hubwinkel beträgt
Membran aus einem Stoff wie beispielsweise Nylon _α = 2 · (v/c) · (v/fl
oder Mylar, der in einen Rahmen 6 gespannt und mit

einer streuenden Metallschicht metallisiert ist. In Das Ausbreitungsmedium sei beispielsweise Wasser

späteren Ausführungsbeispielen ist die Metall- 65 mit einer Schallgeschwindigkeit von V— 1,5 · 10⁵ cm/

beschichtung ein spiegeiförmiger Reflektor. Die see und einer Ultraschallstrahlungsdichte von

Membran ist so dünn und leicht, daß sie den Ultra- 1 mW/cm². Dies entspricht einer Schnellenamplitude

schallschwingungen folgt, ohne daß sich ein merk- von ν = 0,38 cm/sec unabhängig von der Frequenz.

Mit dem obigen Wert von und mit / = 3 MHz ergibt sich et = 4 · ΙΟ-³.

Nun werde zu diesem schwingenden Lichtvektor ein Vektor A ₀ gleicher Länge mit einer Phasenverschiebung von 90° addiert. Nach F i g. 3 besitzt der resultierende Vektor nunmehr nicht nur eine Phasen-, sondern auch eine Amplitudenmodulation. Die Lichtintensitätskomponente, die sich sinusförmig mit der Ultraschallfrequenz / ändert, hat einen Hub von ± 2 · χ · A₀ ², d. h., die Intensitätsamplitude ist gerade ein Bruchteil der Gleichfeldintensität 2 · A₀ ². Es zeigt sich, daß eine beigemischte Bezugsamplitude gleicher Intensität, jedoch mit !^-Phasenverschiebung gegenüber dem Reflexionsstrahl, die beste Lösung zur Auswertung dieser Frequenzkomponente darstellt. Dieser Idealfall läßt sich allerdings nicht verwirklichen, da man mit einem dünnen und beweglichen Reflexionsschirm praktisch keine Bezugswelle erzeugen kann, die in jedem Punkt eine 90°-Phasenverschiebung gegenüber der Reflexionswellenfront 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 Ultraschallauflösungsgrenze die Phase um 2 · π oder etwas mehr ändert. Für das obige Beispiel beträgt die Ultraschallwellenlänge in Wasser 1,5 · 1OV3 · 108 = o,O5 cm. Die Ultraschallauflösungsgrenze ist das 0,6fache Vielfache der Wellenlänge, dividiert durch den Sinus des halben Winkels, unter dem der Schirm von dem Gegenstand aus erscheint. Nimmt man diesen Winkel zwischen etwa 35 urid 40° an, so ergibt sich das Auflösungsvermögen gerade etwa gleich einer Wellenlänge, d. h. V2 Millimeter. Bei einem 25 Zentimeter breiten Schirm erhält man ein Schallbild mit einer Auflösung von 500 bis ein Schallbild mit einer Auflösung von 500 · 500 Linien. Man muß deshalb den Lichtbezugsstrahl unter einem solchen Winkel zu dem Schirmbild so ausrichten, daß er auf demselben 500 oder etwas mehr Interferenzstreifen ergibt, vorzugsweise in Form gerader, paralleler, gleichabständiger Linien. Diese können dann senkrecht zu ihrer Längsrichtung durch mindestens einen photoelektrischen Fühler abgetastet werden, dessen jeweilige Eintrittsblende nicht breiter als der halbe Interferenzstreifenabstand sein darf, da die Wechselspannungskomponenten benachbarter aktiver Gebiete jeweils gegenphasig sind. Es liegen also 1000 aktive Gebiete längs einer Abtastlinie. Es zeigt sich, daß man bei gleichmäßiger Phasenänderung längs einer Abtastlinie nur die Hälfte der Amplitudenmodulation einbüßt, die sich einstellen würde, wenn der Abbildstrahl und der Bezugsstrahl überall eine 90°-Phasenverschiebung haben würden.

Bisher wurde die Erfassung einer einzigen Laserlinie erläutert. Tatsächlich enthält das Laserspektrum Liniengruppen beispielsweise nach Fig. 2. Wenn man das frequenzmodulierte Spektrum einer solchen Gruppe der Ausgangsgruppe überlagert, treten keine Änderungen auf, solange die Phasen aller Linien eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen. Dies beruht darauf, daß die Schwebung der Frequenz/ jeweils nur durch Interferenz jeder Laserlinie mit der frequenzmodulierten paarigen Linie erzeugt wird, jedoch keine Interferenz zwischen verschiedenen Linien verwertet wird. Da der Abstand der Laserlinie in der Größe von einigen hundert MHz liegt, würde die Beimischung nichtpaariger Linien Schwebungsfrequenzen von mindestens einigen hundert MHz ergeben, was weit außerhalb des Durchlaßbereichs des abgestimmten 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°-Phasenbeziehung in jedem Bildpunkt zumindest näherungsweise nicht nur für eine Linie, sondern für alle Linien einer Gruppe erfüllt sein muß, deren Gesamtfrequenzbreite etwa 1000 MHz beträgt. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn die optischen Weglängen des Reflexionsstrahls und des Bezugsstrahls bis auf etwa 1 Zentimeter gleich sind. Wenn mehrere Gruppen mit intensiven Linien von einem Laser ausgesandt werden und man alle Gruppen benutzen will, muß die Abgleichung noch genauer sein. Die hierfür erforderlichen Maßnahmen werden in späteren Beispielen beschrieben.

Nunmehr sollen die Intensitätsbedingungen betrachtet werden, die eingehalten werden müssen, wenn die oben abgeleitete geringe Intensitätsmodulation von einigen Tausendsteln nicht im Rauschpegel untergehen soll. Bei einem Dauerlaserbetrieb ist hauptsächlich Photonenrauschen vorhanden. Es sei E die Leistung, d. h. der Lichtenergiefluß pro Sekünde innerhalb der Abtastfläche, also der Fläche der Fühlereintrittsblende. Aus den angegebenen Gründen ist dies die Hälfte eines aufgelösten Bildelementes. Außerdem sei e = cc · E die Lichtsignalleistung, die sich bei der Wechselspannungsfrequenz / zeigt, und Af das Durchlaßband des Verstärkers. Dann ist nach Schottky die mittlere quadratische Rauschleistung in diesem Frequenzband

{δ Ey = 2-h-v-E-Af

mit h als Planckschem Wirkungsquantum h = 6,54 · 10~²⁷ erg · sec. Wenn man ein Signal-Rausch-Stromverhältnis von (S/N) wünscht, muß dieses (S/N)²-mal kleiner als die mittlere quadratische Signalleistung sein, die

1. _e2 = 1. _a2 . £2

beträgt. Dies ergibt die Gleichung

2-h-vE-Af = (N/S)² ■ I ■ ««· £2
bzw.
E = 4-h-v-Af-(S/N)²/oc².

Für das obige Beispiel ist die Photonenenergie

oge Beispl ist die Photone
3 · ΙΟ-¹² erg und α = 4 · 10~³.

Nimmt man eine Bandbreite Af = 10 kHz an und ein Signal-Rausch-Verhältnis S/N = 10, bezogen auf den piezoelektrischen Strom, bzw. 20 ab, bezogen auf die Leistung, so erhält man E = 0,75 erg/sec = 0,75 · ΙΟ""⁷ W Lichtleistung innerhalb der Abtastblendenfläche. Da die Abtastblendenfläche gleich oder geringfügig kleiner als «ine halbe Elementarauflösungsfläche ist, erhält man für einen Schirm mit 500 · 500 = 2,5 · ΙΟ⁵ Bildelementen

0,75 · ΙΟ"⁷ · 5 · 10⁵ = 0,0375 W.

Unter Berücksichtigung des Stromverteilungsrauschens 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/cm² starke Laser be-

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nutzt werden müssen und daß deren Lichtleistung möglichst vollkommen ausgenutzt werden muß. Es ist zu bemerken, daß eine Ultraschalleistung von 1 mW/cm² sehr viel in Anbetracht der einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften ist. Die ersten nachteiligen physiologischen Erscheinungen werden normalerweise bei 1 W/cm² während etwa 100 Sekunden beobachtet, so daß für Bestrahlungen in der Dauer einer Sekunde die Leistung sicherlich auf das Dreioder Vierfache gesteigert werden kann. Die gesteigerte Leistung kann zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses oder zur Verminderung der Laserleistung oder auch für beide Zwecke dienen. Für das folgende wird daher nur die Annahme eines schmalen Verstärkerbandes von 10 HHz aufgestellt. Bei einer Bandbreite von 10 kHz kann ein Abtaster 20 000 verschiedene Bildelemente pro Sekunde aufzeichnen, so daß die Abtastung von 250 000 Bildelementen insgesamt 12,5 Sekunden dauert. Zur Verkürzung der Belichtungszeit sind daher mehrere Abtastelemente vorzuziehen.

Die F i g. 4 und 5 der Zeichnungen zeigen, wie die Forderung einer vollen Ausnutzung der Laserleistung durch die Auslegung des Gerätes erfüllt werden kann. Die F i g. 4 a und 4 b stellen zwei rechtwinklig zueinander gelegte Schnitte durch den der Beobachtung dienenden Endteil des Gerätes dar. Der ebene, streuende, schwingende Schirm 5 nach F i g. 1 ist durch eine dünne, selbsttragende sphärische Membran 14 aus einem Stoff ersetzt, dessen Wellenwiderstand an Wasser angepaßt ist und der einen spiegelnden Reflexionsüberzug trägt. Der selbsttragende sphärische Spiegel kann auch durch eine dünne Metallschicht oder eine metallisierte Kunststoffolie ersetzt werden, die durch einen auf der konkaven Seite ausgeübten Druck in der sphärischen Form gehalten wird. Das Zentrum O dieses sphärischen Spiegels liegt in der Wandung des Wassertanks. Das Laserlicht wird nach Durchtritt durch ein strahlaufspaltendes Prisma 8 und durch eine Kondensorlinse 7 in einen Punkt auf einer Seite des Zentrums O in geringem Abstand von demselben fokussiert und durch ein totalreflektierendes Prisma 15 auf den Schirm abgelenkt. Der sphärische Spiegel bildet den genannten Brennpunkt auf der anderen Seite des Zentrums O ab und richtet damit das gesamte Reflexionslicht in eine Linse 9, die sehr klein gehalten werden kann. Von dieser Linse gehen sphärische Wellenfronten F aus. Der in dem Prisma 8 abgespaltene Bezugsstrahl wird auf einen Spiegel 16 gerichtet, der ihn durch eine Kondensorlinse 17 auf einen Spiegel 18 reflektiert, welcher so angeordnet ist, daß der Bezugsstrahl von einem mit O gleichliegenden Punkt auszugehen scheint, der auf den Eintrittspunkt des Abbildstrahls ausgerichtet ist. Der Spiegel 16 ist in einem solchen Abstand aufgestellt, daß die optischen Weglängen des Reflexionsstrahls und des Bezugsstrahls aufeinander abgeglichen sind. Die Wellenfront F' des Bezugsstrahls ist ebenfalls sphärisch und liegt unter einem im wesentlichen konstanten Winkel zu der Wellenfront F des Abbildstrahls. Infolgedessen bilden die durch diese beiden Strahlen gebildeten Interferenzstreifen in Ebenen rechtwinklig zur Hauptachse ein System näherungsweise gerader gleichabständiger Linien entsprechend den oben ausgeführten Erfordernissen.

Fig. 4b stellt einen Schnitt rechtwinklig zu F i g. 4 a dar und gibt die Baugruppen zur Erzeugung eines kohärenten Ultraschallbezugsstrahls an. Ein Bezugsstrahl ist auch bei der Ausführungsform nach F i g. 1 vorhanden, da nach den Gesetzen der physikalischen Optik ein Anteil des Beleuchtungsbündels immer unbeeinflußt bleibt, doch dieser ist nur dann intensiv genug, wenn der Gegenstand sehr transparent ist. Ein intensiver Bezugsstrahl wird nach Fig. 4b durch eine Ultraschallquelle 18' erzeugt, die synchron mit der Beleuchtungsquelle betrieben wird. Die Wellenfront dieser Ultraschallquelle ist sphärisch und etwas schief winkelig zu dem Spiegel 14. Die Schief winkeligkeit des Bezugsstrahls bietet verschiedene Vorteile, wie aus der optischen Holographie bekannt ist.

Die F i g. 5 a, 5 b und 5 c der Zeichnungen zeigen eine Mehrfachabtasteinrichtung in drei Ansichten. Ein Band 19, beispielsweise aus Stahl, läuft über Rollen 20 an mehreren Abtastköpfen vorbei, die aus pyramidenstumpfförmigen transparenten Lichtleitern 21 bestehen, die jeweils einen Bildbereich und zusammen die gesamte Bildfläche überdecken. Sie enden in photoelektrischen Elementen 12, welche die entsprechenden Bildbereiche erfassen. Jedes Photoelement besitzt einen gesonderten abgestimmten Wechselspannungsverstärker. Das Band 19 hat kleine, vorzugsweise rechteckförmige Löcher, die in Abtastrichtung halb so breit wie in der dazu senkrechten Richtung sind; jeweils ein Loch liegt vor einem der 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 besitzt 500 Elemente und wird in ⁵⁰⁰/2ooooo = 0,025 Sekunden abgetastet. Die Abtastfläche sei 5 X5 cm groß, so daß das Band mit einer Geschwindigkeit von 20 cm/sec laufen und etwas mehr als 2 m lang sein muß. Das 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 bis 10 kHz. Zur Anzeige des Bildes auf einer Kathodenstrahlröhre kann eine Zeitmultiplexschaltung benutzt werden, so daß jeder Ausgang jeweils für eine Dauer von etwa 2 bis 4 μβεσ an das Steuergitter einer Kathodenstrahlröhre angekoppelt ist, die vorzugsweise als Speicherröhre ausgebildet ist. Dieser Zyklus wiederholt sich jeweils nach 50 μβεα Innerhalb dieser Zeitdauer streicht der Kathodenstrahllichtpunkt jeweils zwölfmal rechtwinklig über die Abtastlinien, jeweils über eine Bereichsbreite, wie dies aus der Multiplex-Oszillographentechnik bekannt ist.

Wenn auch die an Hand der F i g. 4 und 5 erläuterte Ausführungsform den später beschriebenen Ausführungsformen hinsichtlich der Ausnutzung der Laserleistung unterlegen ist, bietet sie doch den Vorteil, 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 Anzeigeröhre machen muß. Dies ist am einfachsten für den Sonderfall zu verstehen, wo der Abstand der Schallquelle 18' von dem Schirmzentrum dem Schirmradius gleich ist. Die gestrichelt in Fig. 4b eingezeichnete

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Schallwellenfront schneidet dann den Schirm 14 in bildende Zylinderlinsen 25 und 26 dienen. Dies ist

einem Großkreis rechtwinklig zur Zeichenebene. deutlicher aus Fig. 6b zu erkennen, die den Laser

Wenn nunmehr um den Punkt 18' herum Kugel- 23 und die Zylinderlinsen 25 und 26 im Seitenriß

schalen mit Radien, die sich jeweils um ganze Viel- zeigt. Die erste dieser Linsen 25 kann als dünner

fache der Schallwellenlänge unterscheiden, aufge- 5 Glasstab ausgebildet sein.

tragen werden, schneiden diese den Schirm 14 in Das Parallelstrahlbündel mit rechteckförmigem

Kreisen parallel zu dem genannten Großkreis. Querschnitt tritt sodann in ein sich drehendes poly-

Aus einer Richtung, die den Winkel zwischen 18' gonales Prisma 27 ein, das aus Glas oder einem

und O teilt, erscheinen dieselben als gerade Linien. anderen transparenten Stoff besteht. Die Drehzahl

Dieselben kann man als Ultraschall-Fresnel-Zonen io ist so abgestimmt, daß eine Seitenfläche des poly-

bezeichnen. gonalen Prismas während der Dauer einer Linien-

Nunmehr wird der Ursprung der Bezugslicht- abtastung des Lichtbündels durchfährt. Wenn beiwellenfront F' in den optischen Raum des Schirms spielsweise ein Bild mit 500 Linien gleichzeitig 14 transformiert und mit O" bezeichnet, was zur durch zehn photoelektrische Fühler abgetastet wird Vermeidung von Verwirrungen in F i g. 4 nicht dar- 15 und eine Abtastperiode 1 Sekunde dauert, erfolgt gestellt ist. Dann legt man diesen Punkt O" in eine eine Linienabtastung in einer Fünfzigstelsekunde, solche Stellung, daß seine Licht-Fresnel-Zonen mit Ein hexagonales Prisma 27 muß also 50/6 Umdreden genannten Schall-Fresnel-Zonen der Quelle 18' hungen in der Sekunde bzw. 500 Umdrehungen in übereinstimmen. Da jedoch nach der Erfindung der Minute ausführen. Um die von dem sich drehenzwischen den Interferenzstreifen zweimal Maxima 20 den Prisma bewirkte Luftströmung von den optischen auftreten, müssen diese Fresnel-Zonen mit Kugel- Teilen fernzuhalten, umgibt man das Prisma vorschalen konstruiert werden, die um Vielfache der zugsweise mit einem sich nicht drehenden Glasrohr halben Lichtwellenlänge auseinanderliegen. Da bei 28. In der Zeichnung ist die von dem Strahlbündel dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Licht- überstrichene Breite in gestrichelten Linien eingewellenlänge in Wasser etwa ein Tausendstel der 25 tragen, während das schmale Strahlbündel in ausge-Schallwellenlänge ausmacht, wird der Abstand zwi- zogener Linie dargestellt ist.

sehen O" und O etwa 2000mal geringer als der Das Strahlbündel tritt sodann in ein im Verhältnis zwischen den Punkten 18' und O. 50 : 50 strahlaufspaltendes Prisma 29 ein. Der durchWenn die Einstellung in der beschriebenen Weise tretende Anteil wird durch eine Linse 30 in das erfolgt, ist die optische Bezugswelle der Schallbezugs- 30 Zentrum oder in der Nähe des Zentrums einer welle äquivalent. Sie wirkt damit in gleicher' Weise Kugellinie fokussiert, die aus zwei Halbkugeln 31 wie die optische Bezugswelle, die für die Zusammen- und 32 besteht, zwischen denen sich eine halbdurchfügung in der Lichtholographie benutzt wird. Sie lässige Schicht 33 befindet. Der an der Schicht 33 stellt zusammen mit der Abbildwelle das Schallfeld reflektierte Anteil dient als unmodulierter Bezugsin stark verkleinertem Maßstab dar. 35 strahl. Er tritt durch ein Linsensystem 34, das der

Ein erstes räumliches Bild des Schallfeldes ent- Linse 30 gleich ist, und wird parallel gerichtet. Das

steht auf der anderen Seite des Schirms in der Nähe Parallelstrahlbündel wird in sich selbst durch einen

des Punktes O in einem kleinräumigen Bereich. senkrecht aufgestellten Spiegel 35 zurückreflektiert.

Dieses Bild wird durch die Linse 9 vergrößert, und Der Abstand dieses Spiegels ist so gewählt, daß die

das vergrößerte Bild kann tiefenmäßig mittels einer 40 optischen Weglängen des Abbildstrahls und des

Abtasteinrichtung nach F i g. 5 abgetastet werden. Bezugsstrahls im wesentlichen gleich bezüglich des

Durch geeignete Wahl der Quervergrößerung kann Punktes sind, wo diese Anteile wieder vereinigt

man die Tiefe des räumlichen Bildes dem Original werden.

gleichmachen oder eine stärkere Vergrößerung er- Die Verhältnisse an der halbdurchlässigen Schicht

zielen. 45 33 sind deutlicher aus F i g. 6 c zu ersehen, die eine

Der Spezialfall, wo die Lichtbezugswelle als eine Vergrößerung darstellt. Das durch das Linsensystem

genaue optische Fortsetzung der Schallbezugswelle 30 getretene Licht wird in dem Punkt C₁ fokussiert,

erscheint, wurde nur für eine Vereinfachung der Der durchgelassene Anteil gelangt von hier auf den

Darstellung ausgewählt. Es ist von der Lichthologra- Bildschirm 14 und wird von demselben auf den

phie her bekannt, daß sich im Ergebnis eine gewisse 50 Punkt C₂ fokussiert, der bezüglich des Punktes C₁

optische Transformation des Gegenstandes ergibt, symmetrisch zum Zentrum O des sphärischen Schirms

die denselben etwas verzerrt, jedoch die Kenntlich- 14 liegt. Der an der Fläche 33 reflektierte Anteil

keit nicht stört, wenn der Bezugsstrahl für die Zu- wird in den Spiegelpunkt C₁' des Punktes C₁ fokus-

sammensetzung nicht derselbe wie der Ausgangs- siert und durch das autokoUimierende System wieder

strahl ist. 55 in diesem Punkt vereinigt. Nach Reflexion an der

Die F i g. 6 und 7 der Zeichnungen zeigen weitere Schicht 33 scheint dieses Bündel von dem Punkt C₁ Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die herzukommen. Der Abstand zwischen C₁ und C₂ Laserleistung besser ausgenutzt wird, indem jeweils muß klein sein. Wenn beispielsweise eine Bildaufnur ein schmaler Streifen des schwingenden Schirms lösung von 500 Punkten pro Abtastlinie erforderlich gleichzeitig ausgeleuchtet wird und dieser Streifen ⁶° ist, müssen nach der vorigen Erläuterung zwischen senkrecht zu seiner Längsrichtung abtastend über den dem Abbildbündel und dem Bezugsbündel 500 InterSchirm bewegt wird, wobei die Streifenlängsrichtung ferenzstreifen erzeugt werden. Demnach muß der senkrecht zur Zeichenebene angenommen ist. Winkel zwischen den beiden interferierenden Wellen-

F i g. 6 a zeigt das Gerät im Grundriß, wo das von fronten so eingestellt sein, daß über die Breite des

einem mit Spiegeln 24 ausgestatteten Gaslaser 23 65 Bildschirms eine Wellenfront gegenüber der anderen

emittierte Licht in einen dünnen flachen Strahl um 500 Wellenlängen versetzt ist. Wenn beispiels-

fokussiert wird, dessen Längsseite senkrecht zur weise der Ultraschallbildschirm 14 einen Radius von

Zeichenebene liegt, wozu zwei, ein afokales System 500 mm und eine Breite von 300 mm hat und die

Wellenlänge des Laserlichtes in Wasser 0,75 μ beträgt, muß der Abstand zwischen C₁ und C₂ gleich

500

500
1ÖÖ"

• 0,75 · ΙΟ"³ = 0,62 mm

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 Interferenzstreifen als Bildpunkte vorhanden sind, ist der Ausnutzungsgrad des Lichts geringer, da innerhalb einer Abtastblendenöffnung Modulationsbereiche entgegengesetzter Phasenlage auftreten. Die Einstellung kann vor Aufnahme eines Bildes sehr genau erfolgen, indem man die Interferenzstreifen in der Ebene 19 durch ein Vergrößerungsglas beobachtet.

Das Abbild- und das Bezugsstrahlbündel laufen zusammen durch das Linsensystem 30 zurück und fallen als Parallelbündel in das halbdurchlässige Prisma 29 ein. Der reflektierte Strahlanteil kommt zur Beobachtung. Das Bild wird durch eine Linse 36 entsprechend vergrößert und tritt durch die Abtastblenden 22 des Abtastbandes 19 in die Lichtleiter 22 der photoelektrischen Elemente 12 ein. Der Hauptunterschied der vorliegenden zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform liegt nunmehr darin, daß sich die beleuchtete Zone über die Abtastblenden 22 verschiebt. Um eine maximale Steigerung der Ausbeute zu erzielen, muß die Zone so schmal wie möglieh sein, beispielsweise also ein Hundertstel der Bildbreite betragen. Eine Korrektur ist jedoch deshalb erforderlich, weil sich die Abtastblenden zeitlich linear verschieben, wogegen das rotierende Prisma 27 zu einer nichtlinearen Ablenkung führt. Ohne Korrektur würde sich dieser Fehler so bemerkbar machen, daß beispielsweise bei einem hexagonalen Prisma mit einem Brechungsindex von 1,525 eine Abweichung von etwa ± 1,5 Prozent der Bildbreite zwischen den sich gleichförmig bewegenden Abtastblenden und der sich ungleichförmig bewegenden Leuchtzone auftreten würde. Dies bedeutet, daß die Leuchtzone nicht kleiner als ein Dreißigstel der Bildbreite gemacht werden kann, so daß die Leistungssteigerung im Vergleich zu einer vollen Ausleuchtung nicht mehr als 30 betragen kann. Fig. 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 Randstrahlen ein wenig nach innen ablenkt. Hierdurch wird der nichtlineare Fehler des rotierenden Prismas korrigiert. Die Optik stellt zahlreiche andere Korrekturmöglichkeiten zur Verfügung.

Die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung ist vergleichsweise einfach aufgebaut, doch ist nachteilig, daß nur etwa ein Achtel des Laserlichts zu der endgültigen Abbildung beiträgt, da die beiden halbdurchlässigen Elemente 29 und 33 jeweils zweimal von jedem Teilstrahlbündel durchsetzt werden. Ein Verlust von 50 Prozent in dem Element 29 kann nach an sich bekannten optischen Verfahren vermieden werden. Es gibt strahlaufspaltende Prismen mit einer Schichtenzusammensetzung, die als Brewster-Winkelprismen bekannt sind und Licht einer Polarisationsrichtung völlig reflektieren, während sie das der anderen Polarisationsrichtung völlig durchlassen. Da Laserlicht linear polarisiert ist, wandelt ein doppelbrechendes Λ./4-Plättchen zwischen den Elementen 29 und 30 das Licht in zirkulär polarisiertes um. Beim Rücklauf wird die Polarisationsebene um einen rechten Winkel verdreht. Deshalb kann man das Prisma 29 völlig durchlässig für das ausgehende und völlig reflektierend für das rückkehrende Bündel machen.

F i g. 7 zeigt eine optische Anordnung mit etwas komplizierterem Aufbau, die eine noch bessere Lichtausnutzung bietet und im Prinzip die Ausnutzung der Hälfte der Gesamtlichtintensität gestattet.

Die meisten Bauteile entsprechen denen nach F i g. 6 und sind auch gleich numeriert. Ein Unterschied zwischen beiden Ausführungsformen liegt darin, daß das rechtwinklige Prisma 29 ein rautenförmiges Prisma 38 mit einer gegenüber dem Strahlengang um 60° an Stelle von 45° geneigten halbdurchlässigen Fläche ersetzt ist. Damit kann man die Hälfte der Strahlintensität ausnutzen, die in dem obigen Ausführungsbeispiel verloren ging, wozu das totalreflektierende Prisma 39 dient, das den autokollimierenden Spiegel 35 ersetzt. Dadurch wird der Bezugsstrahl von dem Beleuchtungsstrahl unabhängig. Die Zwischenfläche zwischen den Glashalbkugeln 31 und 33 ist an Stelle einer halbdurchlässigen Fläche, mit Ausnahme eines kleinen Flecks 40, der beispielsweise durch Versilberung vollständig reflektierend gemacht ist, völlig durchlässig. Dieser Fleck ist nur so groß, daß er nicht den reflektierten Strahl durch Beugung über die Beleuchtungszone verbreitert. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel würde eine Abmessung dieses Fleckes von 0,1 mm Durchmesser genügen, doch ist eine Abmessung zwischen 0,3 und 0,5 mm Durchmesser vorzuziehen, damit die Einstellung nicht zu kritisch wird. Der Bezugsstrahl scheint dann von dem Zentrum O der Kugel herzukommen, und der das Interferenzstreifenmuster bestimmende Abstand ist jetzt nicht C₁-C₁, sondern 0-C₂. Wenn derselbe wie bei dem vorigen Beispiel etwa 0,6 mm beträgt, ergibt sich kein Verlust in der Abbildstrahlintensität, weder beim ersten noch beim zweiten Durchgang. Die Hälfte der Intensität geht lediglich beim Rücklauf 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 ein Hundertstel des Schirms beleuchtet ist, ergibt sich eine Verbesserung um einen Faktor 50 gegenüber dem eingangs beschriebenen Gerät.

Eine noch günstigere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 8a und 8b dargestellt. Dabei erfolgt die Abtastung mittels eines punktförmigen Abtastflecks 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 um etwa 30° nach vorn 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 fokussierten

Abtastfleck P bestimmt. Dies wird durch eine Linse

38 erreicht, die den Laserstrahl in P' fokussiert, wobei dieser Brennpunkt durch das Linsensystem 30 in dem Punkt P des Schirms abgebildet wird. Ein Prisma 42 tritt an die Stelle der Kugellinse 31 nach den F i g. 6 und 7. Dieses umfaßt eine halbdurchlässige Fläche 33, die eine Hälfte des Lichtstrahls abspaltet und sie über das kollimierende System 34 auf einen Spiegel 35 richtet, der sich von der Fläche 33 im selben optischen Abstand wie der Schirm 14 befindet, so daß der Strahl in dem Punkt P" auf dem Spiegel fokussiert wird.

In F i g. 8 a ist der Einfachheit halber angenommen, daß der Brennpunkt des Linsensystems 30 und das Zentrum der Fläche 33 im Mittelpunkt der Kugelschale 14 liegen, so daß die Lichtstrahlen auf genau demselben Weg durch das System zurücklaufen, auf dem sie hingelaufen sind. In diesem Fall muß man die Scherung der Wellenfronten gegeneinander derjenigen nach F i g. 4 a in anderer Weise erreichen. Hierzu ist in den, den Spiegel 35 enthaltendem Zweig eine transparente Keilplatte 43 eingesetzt, die bei dem doppelten Durchlauf den erforderlichen Phasenunterschied in Abhängigkeit von der Versetzung der Punkte P und P" erzeugt. Damit das Strahlenbündel in sich selbst zurückläuft, steht der Spiegel 35 nicht rechtwinklig zur Achse dieses Zweigs, sondern ist geringfügig so geneigt, daß der an dem Prisma abgelenkte Zentralstrahl rechtwinklig auf den Spiegel einfällt.

Auf dem Rückweg wird das Lichtstrahlbündel an der Zwischenfläche eines halbdurchlässigen Prismas

39 abgelenkt und fällt auf eine Photozelle 12. Dieselbe ist über einen abgestimmten Verstärker an eine Kathodenstrahlanzeigeröhre 13 oder einen Bildschreiber od. dgl. angeschlossen. Das rotierende Prisma 27 führt zu einem kleinen Bildfehler, der jedoch näherungsweise durch die Krümmung des Schirms 14 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 Linsensystems 30 ausgerichtet zu sein. Fi g. 8 b zeigt diesen verallgemeinerten Fall.

Wenn der Mittelpunkt der Kugelfläche des Schirms 14 geringfügig von dem Punkt abweicht, in den die achsparallelen Strahlen durch das Linsensystem 30 fokussiert werden, laufen die Strahlbündel von den Punkten P und P" nicht auf demselben Weg zurück. Es ist jedoch wesentlich, daß sie letzten Endes von demselben Fleck S der Fläche 33 ausgehen, damit die Strahlen von den Punkten P und P" aus auf genau demselben Weg in die Photozelle 12 zurücklaufen. Dies kann durch entsprechende Einstellung des Spiegels 35 erreicht werden. Diese Bedingung ist deshalb wesentlich, weil zwischen den beiden, von den Punkten P und P" aus zu der Photozelle zurücklaufenden Wellenfronten höchstens etwa eine Viertelwellenlängen-Phasendifferenz zulässig ist, ohne daß ein merklicher Empfindlichkeitsverlust eintritt. Die genaue Einstellung kann mittels eines Vergrößerungsglases geprüft werden, das vor dem Eingang der Photozelle aufgestellt wird. Der Spiegel 35 wird so lange 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.

Der Wirkungsgrad dieser Ausführungsform hinsichtlich der Ausnutzung der Laserleistung ist sehr hoch. Für das obige Beispiel mit 1 mW/cm² Schalldichte, a = 4-10—³ und einem Rauschpegel von db, d. h. S/N = 10 müssen nunmehr 250 000 Bildelemente pro Sekunde abgetastet werden. Da pro

ίο Abtastelement zwei Signale auftreten, benötigt man ein Frequenzband von mindestens / = 2,5 · 10⁵ Hz. Die oben benutzte Formel gibt eine minimale Lichtleistung von 18,8 erg/sec bzw. 1,88 μW. Da nur ein Achtel der Lichtleistung ausgewertet wird, wird die minimale Laserenergie 15 uW. Unter Berücksichtigung des Stromverteilungsrauschens ist ein Laser mit etwa 100 μW oder 0,1 mW für ein Signal-Rausch-Verhältnis von 20 db ausreichend. Bei einer Schallfelddichte von 0,1 W/cm² und gleicher Laserleistung kann das Signal-Rausch-Verhältnis auf 40 db gesteigert werden. Mit 1 mW Laserenergie kann die Zeitdauer für ein vollständiges Schallbild auf 0,1 Sekunde vermindert werden, wenn eine genügend schnelle Lichtabtasteinrichtung zur Verfügung steht.

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Ultraschallkamera mit einem Ultraschallgenerator und damit gekoppelter Beschallungsflüssigkeit zur Aufnahme eines zu untersuchenden Gegenstandes, bei welcher ein in der Beschallungsflüssigkeit angeordneter Schirm zu Schwingungen angeregt wird und bei welcher die Schirmschwingungen durch Interferenz von vom Schirm reflektierter Strahlung zur Erzeugung einer Abbildung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der sich innerhalb der Beschallungsflüssigkeit befindende elastische Schirm (5) eine Reflexionsfläche aufweist, auf welche von einer Strahlungsquelle aus kohärente elektromagnetische Strahlung (51) gerichtet ist, und daß mit einer Überlagerungseinrichtung (z. B. 7, 8, 9, 10) die an der Reflexionsfläche reflektierte und entsprechend deren Schwingungen frequenzmodulierte Strahlung mit einer gegenüber der Richtung dieser reflektierten Strahlung in einem bestimmten Winkel ausgerichteten ko-. härenten Bezugsstrahlung überlagert wird, wobei mindestens ein Teil des reflektierten Strahlungsso anteils gegenüber dem Bezugsstrahlungsanteil eine Phasenverschiebung (von 90°) aufweist, so daß die Ultraschall-Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation des Lichtes umgewandelt wird.

2. Ultraschallkamera nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufzeichnungseinrichtungen (11, 12, 52, 13), welche ein auf die resultierende, amplitudenmodulierte Strahlung ansprechendes, abgestimmtes photoelektrisches Organ (12) sowie ein von dessen Signalen betätigtes Abtastgerät (52) enthalten, welches Ausgangssignale entsprechend der Schwingungsverteilung auf dem erwähnten Schirm abgibt.

3. Ultraschallkamera nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wiedergabegerät (13) zur Umformung der Ausgangssignale (52) des Abtastgerätes in ein sichtbares Bild vorgesehen ist, welches beim Eintauchen eines zu

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untersuchenden Gegenstandes (50) in die Beschallungsflüssigkeit aus dem auf dem Schirm (5) entstehenden Schwingungsbild dieses Gegenstandes ein sichtbares Bild erzeugt.

4. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Strahlaufspaltungselement (8) zur Aufspaltung eines Ausgangsstrahls der Strahlungsquelle in zwei etwa gleiche Anteile, deren einer auf die Reflexionsfläche gerichtet ist und deren anderer als Überlagerungsstrahl dient, wobei die optischen 'Weglängen der beiden Anteile vor der Überlagerung im wesentlichen gleich sind.

5. Ultraschallkamera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle von einem Laser gebildet ist.

6. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Phasendifferenz zwischen Reflexions- und Bezugsstrahlung in einer Richtung der Reflexionsfläche jeweils in Abhängigkeit von der Lage des jeweiligen Spurenpunktes der reflektierten Strahlung auf der Reflexionsfläche gleichmäßig und stetig ändert.

7. Ultraschallkamera nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecke, auf der eine volle Periode der Phasenänderung erfolgt, nicht größer als der kleinste auflösbare Abstand des Ultraschallbildes ist.

8. Ultraschallkamera nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexions- und Bezugsstrahlungsanteil 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.

9. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Fokus-' sierungsmittel zur Abbildung der reflektierten Strahlung und durch eine Abtasteinrichtung für die Bildfläche.

10. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen kugelkalottenförmigen Schirm (14).

11. Ultraschallkamera nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Bestrahlungseinrichtung (z.B. 8, 7, 15) für den Schirm (14), die eine gleichmäßige Bestrahlung desselben mit der elektromagnetischen Strahlung unter Ausbildung sphärischer Wellenfronten sicherstellt, deren Ursprungspunkt nahe dem Zentrum der Kugelkalotte liegt und durch eine bzw. eine weitere Bestrahlungseinrichtung (z. B. 8, 16, 17, 18) für die Bereitstellung der Bezugsstrahlung, die ebenfalls sphärische Wellenfronten erzeugt und deren Ursprungspunkt gegenüber dem Ursprungspunkt der reflektierten Strahlung geringfügig versetzt ist (Fig. 4a, 4b und 6a bis 8b).

12. Ultraschallkamera nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Abbildungselemente (25, 26) zur Fokussierung des Bestrahlungs-Strahlenbündels auf dem Schirm in Form eines schmalen, streifenförmigen Strahls und durch eine Abtasteinrichtung (27) zur Bewegung dieses Strahls senkrecht zur Streifenlängsrichtung.

13. Ultraschallkamera nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Laser (23), dessen Ausgangsstrahlung mittels der Abbildungselemente (25, 26) in einen Streifenstrahl fokussierbar ist, weiter durch ein in dem Strahlengang des Streifenstrahls stehendes polygonales Prisma (27), fernerhin durch eine Abtasteinrichtung zum Drehen dieses Prismas, weiterhin durch eine Fokussierungseinrichtung (20) zur Fokussierung 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 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 Reflexionsbündel 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 (Fig. 6a, 6b und 6c).

14. Ultraschallkamera nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Laser (23), dessen Ausgangsstrahl mittels der Abbildungselemente (25, 26) in einen Streifenstrahl fokussierbar ist, weiter durch ein in dem Strahlengang des Streifenstrahls stehendes polygonales Prisma (27), fernerhin durch eine Abtasteinrichtung zum Drehen dieses Prismas, weiterhin durch eine halbdurchlässige Strahlaufspaltfläche zur Aufspaltung des Abtaststrahls in einen durchgelassenen und einen reflektierten Anteil, des ferneren durch eine Fokussierungseinrichtung (20) zur Fokussierung 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 Interferenz 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 zuletzt durch an die Ausgänge dieser Fühler angeschlossene Wandler zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes (Fig. 7a und 7b).

15. Ultraschallkamera nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Fokussierungseinrichtung (38) zur Abbildung des Bestrahlungslichtbündels auf eine kleinräumige Schirmfläche und durch eine Abtasteinrichtung zur Erzeugung eines Linienrasters.

16. Ultraschallkamera nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Laser (23), dessen Ausgangsstrahlung mittels der Fokussierungseinrich-

tung (38) zu einem Lichtbündel geringen Bündelquerschnittes fokussierbar ist, weiter durch ein in dem Strahlengang befindliches polygonales Prisma (27), fernerhin durch eine Abtasteinrichtung zur Drehung dieses Prismas um seine Längsachse zwecks Erzeugung einer linienförmigen Abtastbewegung sowie zur Verschwenkung des Prismas um eine Querachse zwecks Erzeugung einer Spaltenabtastung, weiterhin durch eine Fokussierungseinrichtung (20) zur Ausrichtung des Abtastbündels auf eine halbdurchlässige Fläche, an der das Bündel in einen Durchlaßanteil und einen Reflexionsanteil aufgespalten wird, und zur Fokussierung des Durchlaßanteils auf dem Schirm, des ferneren durch einen Reflektor (35) zur Reflexion des Reflexionsanteils zurück auf die halbdurchlässige Fläche, wo eine Überlagerung mit dem an dem Schirm reflektierten Durchlaßanteil erfolgt, wobei die optischen Weglängen der beiden Strahlenanteile im wesent-

liehen gleich sind und wobei in einem Lichtweg eine Einrichtung (43) zur Änderung der effektiven Weglänge in geringem Maße in Abhängigkeit von der linienförmigen Abtastbewegung vorgesehen ist, des weiteren durch eine Fokussierungseinrichtung 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 auf Grund des Fühlerausgangs und der Linienrasterabtastbewegung(Fig. 8 a und 8 b).

17. Ultraschallkamera nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (14) aus einer dünnen sphärischen Kunststoffmembran besteht, deren Dicke ein ganzzahliges Vielfaches der halben Schallwellenlänge in dem Kunststoff beträgt und die auf der konkaven Seite einen Strahlungsreflexionsbelag aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen