DE1911233C3

DE1911233C3 - Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallhologrammen

Info

Publication number: DE1911233C3
Application number: DE1911233A
Authority: DE
Inventors: Byron B. Brenden; David R. Hoegger
Original assignee: Holotron Corp Wilmington Del (vsta)
Current assignee: Holotron Corp Wilmington Del (vsta)
Priority date: 1968-03-06
Filing date: 1969-03-05
Publication date: 1978-03-23
Also published as: DE1911233A1; SE353800B; JPS5015366B1; FR2003362A1; DE1966977A1; GB1246700A; JPS5146712B1; NL6903391A; DE1911233B2; JPS5147049B1; US3564905A; JPS5229186B1; BE729461A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallhologrammen, mit einem abzubildenden Gegenstand, einer Ultraschalldetektoroberfläche, einem ersten, den Gegenstand durchstrahlenden und auf die Detektoroberfläche gerichteten Ultraschallbündel und einem keine Gegenstandsinformation tragenden, unter einem anderen Winkel als das erste Ultraschallbündel ebenfalls auf die Detektoroberfläche gerichteten und mit dem ersten Ultraschallbündel ein stationäres Interferenzmuster bildenden, zweiten Ultraschallbündel. Derartige Anordnungen sind beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift »App. Phys. Letters« (1966), S. 328 - 329.

Anordnungen zur Erzeugung von Ultraschallhologrammen, die Bilder von Gegenständen in sichtbarem Licht oder andere Typen von elektromagnetischer Strahlung liefern können, sind in der älteren Anmeldung P 15 72 579.8 beschrieben und beansprucht. Obgleich die Prinzipien der Ultraschallholographie, wie sie in dieser Anmeldung offenbart und beansprucht sind, durch den Bereich des ganzen Kompressionswellenspektrums anwendbar sind, hat es sich ergeben, daß infolge von praktischen Schwierigkeiten und weil die besondere Type von Gegenständen, von denen man Ultraschallhologramme zu machen wünscht, der Bereich der Ultraschallfrequenzen, die Hochqualitäts-Ultraschallhologramme und von diesen erzeugte Bilder liefern können, begrenzt war. Eine der begrenzenden Eigenschaften der vorbekannten Ultraschallholographie-Techniken ist, daß der Winkel zwischen dem Gegenstandsbündel und dem Bezugsbündel, die sich in einem flüssigen zur Erzeugung des Ul'raschallhologramms erforderlichen Medium fortpflanzen, nur so klein gemacht werden kann und daß diese bündelerzeugenden Wandler nur so nahe am Ultraschallhologranim angeordnet werden können, ehe es unmöglich ist, den Gegenstand aus dem Bezugsbündel heraus, jedcch immer noch im Gegenstandsbündel zu halten. Um die

ίο Dämpfung des Gegenstandsbündels, insbesondere bei höheren Ultraschallfrequenzen, zu verringern, ist es wünschenswert, die Pfadlängen zwischen dem Wandler und dem Ultraschallhologramm so kurz wie möglich zu halten. Fernerhin, wie dies in größeren Einzelheiten im folgenden erklärt werden wird, ist es zur Verwendung von Ultraschallstrahlung höherer Frequenz notwendig, den Winkel zwischen dom Gegenstandsbündel und dem Bezugsbündel zu verringern. Es wäre somit wünschenswert, die soeben dargelegten begrenzenden Eigenschaften der heutigen Ultraschallholographie-Techniken zu beseitigen, um eine wirksame Verwendung der höheren Ultraschallfrequenzen zu gestatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Winkel zwischen Gegenstands- und Bezugsbündel und die Weglängen der Bündel zu verkleinern, ohne daß der Gegenstand in den Weg des Bezugsbündels gerät.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der das zweite Ultraschallbündel erzeugende Wandler zwischen Gegenstand und Detektoroberfläche im Weg des ersten Ultraschallbündels angeordnet ist.

Weiterbildungen und Abwandlungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und deren Veranschaulichung in den Zeichnungen sowie aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

Der durch die Erfindung erzielte technische Fortschritt ergibt sich aus der Lösung der vorangehend geschilderten Aufgabe.
In den Zeichnungen ist

Fi g. 1 ein Diagramm einer vorbekannten Anordnung zur Herstellung von Ultraschallhologrammen;

Fig. 2 eine diagrammatische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Zunächst sei die vorbekannte Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallhologrammen an Hand der Fig. 1 beschrieben. Ein Tank 11 enthält ein ultraschallübertragendes Fluid-Medium 13, das vorzugsweise eine Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser ist. Ein Ultraschallwandler 15 erzeugt ein Ultraschallbündel, das durch einen der Untersuchung unterworfenen Gegenstand 19 gerichtet wird, wodurch sich ein durch den Gegenstand moduliertes Ultraschallbündel 21 ergibt. Ein Ultraschallwandler 23 erzeugt ein Ultraschallbezugsbündel 25, mit im wesentlichen derselben Frequenz, das in einer

5s Richtung gesendet wird, um mit dem Gegenstandsbündel 21 an der Detektoroberfläche 27 zu interferieren. Hierdurch wird eine stehende Welle 29 erzeugt, die sich auf den der Untersuchung unterworfenen Gegenstand 19 bezügliche Bildinformation trägt. Die Detektoroberfläche kann irgend eine Grenzfläche zwischen zwei Fluida wesentlich verschiedener Dichten sein und ist hier als eine Flüssigkeit 3t mit einer durch Luft gebildeten Grenzfläche 27 dargestellt. Die Oberfläche 33 des flüssigen Mediums 13 kann auch durch

^hS Entfernung des Isoliertankes 35 von der Flüssigkeit 13 als Detektoroberfläche verwendet werden. Der Tank 35 verbessert jedoch die Qualität des sich ergebenden Interferenzmusters durch Isolierung einer kleinen

Detektorfiäche vom Rest der Oberfläche 33 des flüssigen Mediums. Die Detektoroberfläche 27 bleibt frei von den Wirkungen von Störungen in der Flüssigkeitsoberfläche 33. Der dünne Fiüssigkeitsfilmdetektor 31 kann auch für geeignete Oberflächeneigenschäften ausgewählt werden, um ein Qualitätswellen-Stehendes-Hologramm 29 zu erzeugen, während das flüssige Medium 13 gewählt werden kann für seine Eigenschaften der Übertragung von Ultraschall, für Kühlung des in ihr eingetauchten Wandlers und für seine Verträglichkeit mit dem der Untersuchung unterworfenen Gegenstand. Der Dünnfilm-Flüssigkeits-Detektor 31 wird in Stellung gehalten und von der Flüssigkeit 13 ge;rennt durch einen dünnen Film 37, der für Ultraschall durchsichtig ist. Weitere Variationen von verwendbaren Isolationstanks und Detektoroberflächen aus sind der vorgenannten schwebenden Anmeldung entnehmbar.

Die in dem stehenden Wellenhologrami.j 29 enthaltene, sich auf den der Untersuchung unterworfenen Gegenstand 19 beziehende Bildinformation wird, wie in F i g. 1 gezeigt, sichtbar abgelesen. Eine Punktquelle von Licht ist erforderlich und kann erhalten werden von einer Höchstdruck-Quecksilberlampe 39 unter Verwendung der Kondensatorlinsen 41, um das Licht auf ein Nadelloch 43 zu fokussieren. Licht tritt durch das Loch 43 hindurch und dann durch eine Linse 45 1. nd wird durch einen Spiegel 47 reflektiert. Das von dem Stehend-Wellen-Hologramm 29 reflektierte Licht wird ferner von einem Spiegel 49 durch eine Linse 51 reflektiert. Ein räumlicher Filter ist in der Brennebene der Linse 51 angeordnet und blockiert alle außer dem Erste-Ordnung Bündel 55, das von dem Hologramm 29 gebeugt wird. Die Linsen 57 umfassen ein optisches System, das die Betrachtung (Auge 58) eines Bildes des Gegenstandes, das von einem Grste-Ordnung gebeugten Strahl 55 getragen wird, gestattet. Alternativ zum Fokussieren der Linsen 57 direkt auf ein Gegenstandsbild, können die Linsen 57 auf das Hologramm 29 unter vielen Umständen für verbesserte Bildauflösung fokussiert werden, wie dies in der gleichzeitig hiermit eingereichten Anmeldung »Ultraschall-Abbildungsverfahren und Mammographie-Apparatur« (P 19 11 231.3-35) offenbart und beansprucht ist. Der Vorteil eines Ultraschallholographiesystems ist, daß der Gegenstand 19 in Real- oder Echtzeit betrachtet werden kann. Es kann auch gewünschtenfalls ein dauerndes Hologramm auf einer photographischen Schicht, z. B. einem photographischen Film, von dem Hologramm 29 hergestellt werden zwecks späterer Betrachtung des Bildes.

Es sollte auch verstanden werden, daß dies System der Abbildung mit einem weiten Bereich vor. Frequenzen von Druck- oder Kompressionsenergie in den Bündeln 17 und 21 durchgeführt werden kann. Es hat sich jedoch ergeben, daß bessere Ergebnisse erhalten werden, wenn Kompressionsenergie in dem Ultraschallfrequenzbereich verwendet wird. In diesem Sinne sind die Worte »Ultraschall« oder »Ultraschallwelle« in der vorliegenden Beschreibung durchweg verwendet.

Zur Untersuchung von gewissen Gegenständen ist es wünschenswert, Ultraschallenergie in einem sehr hohen Frequenzbereich zu verwenden. Für Ultraschallfrequenzen um 20 MHz herum und höher ist es wünschenswert, gewisse Abänderungen in der Gestaltung der F i g. 1 durchzuführen, um ein Stehende-Wellen-Hologramm aufrechtzuerhalten, das fähig ist, ein Bild hoher Helligkeit zu ergeben. Bei jeder Ultraschallfrequenz ist für viele Ultraschallabbildungssituationen der Winkel Θ_Γ, den das Bezugsbündel 25 mit der Senkrechten auf der Detektoroberfläche 27 einschließt, vorzugsweise gleich und entgegengesetzt dem Winkel θο, den das Gegenstandsbündel 21 mit der Senkrechten auf der Detektoroberfläche 27 einschließt. Für ein Ultraschall-Stehende-Wellen-Hologramm 29, das ein Bild eines Gegenstandes 19 von genügender Helligkeit für leichte Beobachtung erzeugen wird, ist der verwendbare

if- Bereich der Winkel θ ,-und θο begrenzt und hängt ferner von der Frequenz des verwendeten Ultraschalls ab. Mit sich erhöhender Frequenz sollten die Winkel Θ_Γ u:.d θο kleiner werden, um ein helles Bild zu erhalten. Fernerhin wird mit sich erhöhender Frequenz die Dämpfung der

'5 Uitraschallbündel durch die Flüssigkeit 13 größer, so dab es wünschenswert ist, die Ultraschallwandler 15 und 25 so nah wie möglich an die Detektoroberfläche 27 heran anzuordnen. Es ist leicht ersichtlich, daß, wenn diese zwei Einstellungen in der grundlegenden, in F i g. 1 veranschaulichten Anordnung durchgeführt werden, es schwierig wird, den Gegenstand 19 aus dem Bezugsbündel 25 herauszuhalten, während er im Pfad des Gegenstandsbündels 17 verbleibt. Für ein Stehende-Wellen-Hologramm 29 hoher Qualität ist ei somit wünschenswert, neue Verfahren und Apparaturen zu suchen, um ein Stehende-Wellen-Hologramrr. mit Ultraschallenergie von sehr hoher Frequenz zu konstruieren.

Eine verbesserte Anordnung ist in F i g. 2 gezeigt, in der das optische System zum Ablesen der Information in einem Stehende-Wellen-Hologramm 59 dasselbe ist, wie es vorangehend in bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde. Um ein Stehende-Wellen-Hologramm 59 zu bilden, erzeugt ein dünner Wandler 61 ein erstes (Bezugs-) Ultraschallbündel und richtet dieses unter einem Winkel Θ, mit einer Senkrechten zur Detektoroberfläche 63. Ein zweites Bündel (ein Gegenstandsbündel) wird durch einen Ultraschallwandler 65 erzeugt und so gerichtet, daß es durch den Gegenstand 67 hindurchgeht, wobei das Bündel mit Information bezüglich des Gegenstandes 67 moduliert wird und dann durch den Wandler 61 ohne bedeutsame Änderung seiner Eigenschaften hindurchtritt unter Einschluß eines Winkels θο mit einer Senkrechten zur Flüssigkeits-Detektoroberfläche 63. Infolge dieser Anordnung können θο und Θ_Γ so klein wie gewünscht gemacht werden, und ferner werden die Abstände zwischen dem Gegenstand 67 und der Detektoroberfläche 63 kleiner als in der Anordnung der F i g. 1 gemacht, wodurch die Dämpfung der Ultraschallbündel vor der Interferenz an der Detektoroberfläche verringert wird, was vorteilhaft für Ultraschallholographie bei irgendeiner Frequenz, aber insbesondere bei den höheren Frequenzen ist.

Es wurde auch ermittelt, daß sich ein anderer wichtiger Vorteil aus der Anordnung des Wandlers sehr dicht an der Hologrammoberfläche ergibt und daß dies zu einem Bezugsbündel mit verbesserter Qualität führt. Das saubere Bezugsbündel verringert das Rauschen in von diesen Hologrammen rekonstruierten Bildern.

im Fernerhin verbessert die Anordnung des Gegenstandes dichter an der Detektoroberfläche die Bildauflösung, wenn das optische Betrachtungssystem 57 auf ein Bild der Hologrammoberfläche fokussiert wird anstatt auf ein Gegenstandsbild gemäß der vorgenannten gleich-

^(l5 zeitig eingereichten Anmeldung (P 19 11 231.3-35).

Ein bevorzugter, diese neue Anordnung der Ultraschallabbildungselemente verwendender Apparat ist in F i g. 2 wiedergegeben. Ein Tank 71 hält ein ultraschall-

übertragendes Medium 73. Der Tank 71 hai in seinem Boden eine den Gegenstandsbiindelwandler 65 tragende öffnung 75. Der Wandler 65 ist innerhalb der öffnung 75 unter dem gewünschten Winkel und mit einer Flüssigkeitsdichtung angebracht. Ein Isolationstank 77 dient zum Halten eines dünnen Filmes einer Detektorflüssigkeit, die die Fähigkeit hat, ein Qualitäts-Stehende-Wellen-Hologramm 59 auf seiner Oberfläche 63 zu bilden. Der Isolationstank 77 dient ferner als Träger für den Bezugsbündel-Wandler 61, der in flüssigkeitsdichter Weise in einer öffnung 81 dieses Tanks 77 befestigt ist.

Das bevorzugte Material für die Ultraschallwandler 61 und 65 ist dünnes Quarzkristallblatt, das auf eine Dicke gleich einer ungraden Zahl von halben Wellenlängen der erzeugten Ultraschallfrequenz geschnitten ist. Die Wandler 61 und 65 können erregt werden durch Anlegen eines elektrischen Stromes mit einer der natürlichen Frequenz des Kristalls, wie er für diese Anwendung geschnitten ist, gleichen Frequenz. Da der Ultraschallwandler 61 so geschnitten ist, daß er eine natürliche Frequenz gleich der durch den Ultraschallwandler 65 erzeugten Frequenz hat, so erscheint der Wandler 61 für das vom Wandler 65 erzeugte Gegenstandsbündel durchsichtig für einen kleinen Winkel Θο + Θ_Λ von ungefähr 10' oder weniger. Ein elektronischer Signalgcnerator 83 wird verwendet, um die durch die Drähte 85 und 89 verbundenen Kristüllwandler 61 und 65 zum Schwingen zu veranlassen. Normalerweise ist es wünschenswert, diese Verbindung so anzuordnen, daß der Leiter 85 mit der Unterseite des Ultraschallwandlers 61 und auch mit der Oberseite des Ultraschallwandlers 65 verbunden ist, um irgendeinen Spannungsuntcrschicd zwischen ihnen zu vermeiden. Die beiden Flüssigkeiten 79 und 73 sollten voneinander isoliert sein, um Kurzschließen der Verbindungen quer zu den Kristallultraschallwandlern zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallhologrammen, mit einem abzubildenden Gegenstand, einer Ultraschalldetektoroberfläche, einem ersten, den Gegenstand durchstrahlenden und auf die Detektoroberfläche gerichteten Ultraschallbündel und einem keine Gegenstandsinformation tragenden, unter einem anderen Winkel als das erste Ultraschallbündel ebenfalls auf die Detektoroberfläche gerichteten und mit dem ersten Ultraschallbündel ein Interferenzmuster bildenden, zweiten Ultraschallbündel, dadurch gekennzeichnet, daß der das zweite Ultraschallbündel erzeugende Wandler zwischen Gegenstand (67) und Detektoroberfläche (63) im Weg des ersten Ultraschallbündels angeordnet ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Ultraschallbünde! auf die Detektoroberfläche (63) unter im wesentlichen gleichen aber entgegengesetzt gerichteten Winkeln (θο, Θ_Γ) in Bezug auf eine Senkrechte auf der Detektoroberfläche (63) gerichtet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschallbündel die gleiche Frequenz haben.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Ultraschallbündel eine oberhalb von 20 Megahertz liegende Frequenz haben.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Ultraschallwandler (63, 61) elektrisch angetriebene dünne Quarzplatten aufweisen.