DE1942425A1

DE1942425A1 - Ultraschall-Linse und Verfahren zur Herstellung einer solchen Linse

Info

Publication number: DE1942425A1
Application number: DE19691942425
Authority: DE
Inventors: Brenden Byron Byrne; Jones Henry S
Original assignee: HOLOSTRON CORP
Current assignee: HOLOSTRON CORP
Priority date: 1968-03-06
Filing date: 1969-03-05
Publication date: 1970-03-26
Also published as: DE1942149A1; NL166393C; DE1911231A1; SE383933B; DE1942195A1; GB1263093A; NL166393B; GB1263371A; BE729462A; NL6903393A; DE1942195C3; DE1911234A1; JPS519297B1; SE390768B; DE1942195B2; FR2003363A1; SE373956B

Description

Ultraschall-Linse und Verfahren zur Herstellung einer solchen Linse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Linse sowie auf Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Linsen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar in Verbindung mit Ultraschall-Priifungs- und -Abbildungsverfahren wie Ultraschall-Holographie.

Gemäß der Erfindung wird aine Ultraschall-Linse durch die Anordnung einer elastischen Membran zwischen zwei Flüssigkeiten, in denen sich die Ultraschall-Energie mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt, gebildet.

Die Erfindung umfaßt ferner die Anordnung einer Ultraschall-Linse in dem Bezugsbündel in einer Stellung, um einen das Bezugsbündel erzeugenden Wandler auf dem Flächendetektor abzubilden, wodurch ein Hologramm mit weniger äußerem Geräusch ("noise") erzeugt wird. Um weiterhin Geräusch im Hologramm zu verringern, kann ein Nadellochfilter zwischen der Linse und dem Flächendetektor angeordnet werden, um eine verbesserte sphärische Wellenfront zu ergeben. Diese Verbesserung macht auch die Wahl eines Wandlers weniger kritisch.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung sind die verwendeten Ultraschall-Linsen vorzugsweise dünne Linsen, die zwei dünne biegsame über einen Rahmen vorgespannte»eine Kavität bildende Membranen aufweisen, wobei die Kavität mit einer schallbeugenden Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Linsen umfassen Einrichtungen zur Kontrolle des Volumens der Flüssigkeit in der Kavität, wodurch die Gestalt der Linse und deren Brennweite kontrolliert

werden. ·>

" 00981 3/1U2

DA-K495

Zunächst seien die der Erfindung vorangehenden Ausbildungen und die ihr zugrundeliegenden Gesichtspunkte dargelegt.

In den meisten Ultraschall-Abbildungs- und Prüfungsanwendungen ist das energieübertragende Medium eine Flüssigkeit wegen der hohen Fortpflanzungswirksamkeit der Flüssigkeit, und weil Ultraschall durch einen festen, in dieser Flüssigkeit untergetauchten Gegenstand hindurchgeschickt werden kann, ohne die hohe Energiereflexionen, die auftreten, wenn Luft oder ein anderes Gas als Ultraschall-Übertragungsmedium verwendet wird. Infolge seiner Verträglichkeit mit zu prüfenden Gegenständen wird Wasser allgemein als das Flüssigkeitsmedium benutzt. Es ist in dieser Umgebung k somit, daß eine Linse zum Abbilden einer Ultraschall-Wellenfront von einer Ebene auf eine andere Ebene innerhalb des flüssigen Mediums ohne bedeutsame Aberrationen oder Energieverluste wünschenswert ist.

Linsen aus festem Material, wie aus Metall oder Kunststoff, sind vorgeschlagen und für gewisse Anwendungen benutzt worden, aber die Energieverluste, insbesondere durch Reflexion an den Grenzflächen zwischen dem Linsenmaterial und dem Wasser, sind so groß, daß ein hohes Energieniveau des erzeugten Ultraschallbündels erforderlich ist. Ein hohes Energieniveau ist bei vielen Anwendungen wegen der möglichen Beschädigung des der Untersuchung unterworfenen Gegenstandes und aus technischen Gründen unerwünscht, ) Weiterhin haben positive feste Linsen, wie Kunstharz, bei der Verwendung in einem Wassermedium oft eine zu lange Brennweite oder einen zu hohen negativen Krümmungsradius.

Deshalb wurden Linsen schon lange gesucht, die nicht solch einen großen Energieverlust verursachen und doch gute Abbildungsqualitäten haben.

In irgendeiner Linse kann der Brechungsindex η definiert werden als die Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem umgebenden Medium, was hier als Wasser angesehen wird, geteilt durch die

ÖÖ981 3/ 1 1 A3

Geschwindigkeit des Ultraschalle in dem Linsenmaterial, was ausgedrückt werden kann als

Xf (1)

Ultraschall wird durch eine solche Linse gebeugt und viele der in Optik angewendeten Analysen treffen für Ultraschallabbildung zu, einschließlich der folgenden Gleichung zur Bestimmung der Brennweite f einer bikonvexen Linse, deren Oberflächen einen Krümmungsradius von R habent

1 « 2 in - Ρ (2)

f R

Somit ist aus Gleichung (2) ersichtlich, daß die Brennweite der Linse kontrolliert werden kann durch Änderung des Brechungsindexes η oder ihres Krüanungsradius R.

Ultraschallenergieverlust durch Reflexion ist ein bedeutsames Problem beim Entwurf einer Ultraschall-Linse, aber dieser kann so gemacht werden, das er sich Null nähert, wenn dem folgenden Ausdruck Genüge getan ist:

worin P die Dichte des Wassers und P, die Dichte des Lineenmaterials ist. Populärerweise für Linsen verwendete feste Materialien genügen diesem Erfordernis nicht und haben daher einen Energieverlust durch Reflexion von 12 bis 60 %, wie dies mehr erschöpfend in dem schon erwähnten Buch "Sonics", Seite 265, beschrieben ist·

Dieses hohe Reflexionsverlust-Kennzeichen von festen Linsen ist bedeutsam verringert worden durch Verwendung einer erfindungsgemSSen Flüssigkeits-Linse, wie dies anhand der beiliegenden Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen dargetan werden wird.

Heitere Ziele, Aufgaben, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sowie ein besseres Verständnis derselben ergeben sich aus

0098 13/1U2

, — 4 —

der folgenden Beschreibung von bevorzugten Aueführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen

Fig. 1 veranschaulicht eine verbesserte holographische Abbildungstechnik unter Verwendung einer Ultraschall-Linse im Gegenstandsbündel,·

Fig. 2 zeigt die Verwendung einer Ultraschall-Linse zum Abbilden eines Bezugsbündelwandlers auf einem Flächendetektor zur Herstellung eines Hologramme;

Fig. 3 veranschaulicht die Verwendung einer Ultraschall-Linse und eines Nadellochfilters zur Erzeugung eines verbesserten, in Ultraschallholographie zu verwendenden Bezugsbündels;

Fig. 4 zeigt die Verwendung einer Ultraschall-Linse und eines Nadellochfilters mit einem sphärisch gestalteten Handler zur Erzeugung eines verbesserten Bezugsbündels für Verwendung in Ultraschallholographie;

Fig. 5 veranschaulicht im Querschnitt eine bevorzugte Ultraschall-Linse;

Fig. 6 erläutert ein Problem der Aufrechterhaltung der Qualität einer Ultraschall-Linse gemäß Fig. 5;

Fig. 7, 7A und 7B veranschaulichen ein erfindungsgemäfies Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Ultraschall-Linse;

Fig. 8 und 8A zeigen die Konstruktion einer verbesserten, erfindungegemäeen Ultraschall-Linse in einer bevorzugten Aueführungsform;

Fig. 9 zeigt eine Apparatur zum Kontrollieren der Flüssigkeitsmenge in den Ultraschall-Linsen der Fig. 8 und 8A;

Fig. 10 veranschaulicht im Querschnitt eine Ultraschall-Linse gemäß, einer anderen . Ausführungsform der Erfindung! und

Fig. 1OA veranschaulicht im Querschnitt eine Ultraschall-Linse gemäe einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Zunächst seien kurz Anwendungsgebiete der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 geschildert.

QQÖ8 1 3/1 U2.-.--.. ;

In Fig. 1 enthält ein flüssigkeitsgefüllter Tank 22 zwei Ultraschallwandler 24 und 26, die Ultraschallbündel 28 und 30 von im wesentlichen der gleichen Frequenz auf eine Flüssigkeitsoberfläche 32 richten· Ein, z.B. einen Fehler 36 enthaltender Gegenstand 34 wird in einem der Bündel 30 (Gegenstandsbündel) angeordnet und das andere Bündel 28 wirkt als Bezugsbündel, um mit dem Gegenstandsbündel 30 an der Oberfläche 32 zusammenzuarbeiten und dadurch ein Stehendewellen-Interferenzmuster 31 zu bilden. Das Interferenzmuster wird dann in einer Weise betrachtet oder auf einer lichtempfindlichen Schicht festgehalten, wie dies beispielsweise in der Anmeldung P 19 11 231.3 ^MUltraschall-Abbildungsverfahren und Mammographie-Apparatur"(Unsere Akte DA-K427 (H-35)), aus der die vorliegende Anmeldung ausgeschieden ist, und in anderen Ausscheidungsanmeldungen der genannten Stammanmeldung angegeben ist.

Wie nun in Fig. 1 gezeigt, wird eine Ultraschall-Linse 50 im Pfad des Gegenstandsbündels 30 angeordnet und bewirkt die Anordnung eines Ultraschallbildes des Gegenstandes 34 mit seinem Fehler 36 direkt in der Ebene der Flüssigkeitsfläche 32. Abbilden des Fehlers 36 durch die Ultraschall-Linse 50 in dem Ultraschallhologramm auf der Oberfläche 32 ist durch die punktierten Linien 52 angedeutet. In Abhängigkeit von der Güte der Ultraschall-Linse 50 wird die am Gegenstand vorhandene Ultraschallwellenfront auf der Hologrammfläche reproduziert, so daß ein Teil der durch auftreffendes Licht erfolgenden dreidimensionalen Bildrekonstruktion den Anschein hat, als ob sie sich in der Hologrammebene befände. Obgleich das Fehlerbild als in der Ebene 32 befindlich dargestellt ist, so kann es sein, daß diese Bild in.einer anderen Ebene unter einem Winkel zur Oberfläche liegen wird. Eine Ultraschall-Linse wird aus einem Material in einer Gestalt hergestellt, um auftreffende Schallbündel zu beugen, sehr in der gleichen Weise wie eine optische Linse auftreffendes Licht beugt. Mehr Auskunft bezüglich Ultraschall-Linsen ergibt sich aus dem Textbuch "Sonics¹¹ von Hueter und Bolt, das von John Wiley & Sons 1955 veröffentlicht wurde, und zwar besonders aus der Erörterung auf den Seiten 265 und 353 desselben. Eine Linsenstruktur, die verbesserte Abbildungseigenschaften gegenüber den dort beschriebenen Linsen hat,

wird Im folgenden beschrieben werden.

ÖÖ0813/1U2

In Fig. 2 ist die Technik der Abbildung eines Wändlere 26 auf eine Flüssigkeitsoberfläche 9O gezeigt. Alle Elemente der Fig. 2, die die gleichen wie die in Fig. 1 veranschaulichten sind, weisen dieselben Bezugsziffern auf. Der primäre Unterschied zwischen diesen zwei Figuren besteht in dem Vorhandenseih einer Linse 92, die zwischen dem Wandler 26 und der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist. Die Brennweite der Linse 92 sowie ihre Anordnung in Bezug auf den Wandler 26 und die Fläche 90 sind so gewählt, um den Wandler auf der Oberfläche abzubilden. Außerdem kann das Bild des Wandlers 26 größer als der Wandler selbst gemacht werden durch geeignete Wahl der Brennweite und der Abstände. Die Möglichkeit, die Größe des Wandlerbildes zu wählen, gestattet dann die Fläche des Bündels 94, die die Oberfläche 90 trifft, frei von den ungewünschten Wandlerrandwirkungen zu halten, sowie die Energiedichte, die auf die Fläche für einen gegebenen Wandler auftrifft, zu kontrollieren. Die Fähigkeit, das Bild größer zu ma» chen als den Wandler selbst, gestattet die Verwendung eines kleineren Wandlers, als es ohne die Verwendung der Linse 92 möglich sein würde, wodurch sich wesentliche Kostenersparungen beim Ausführen der Erfindung ergeben.

Eine andere Technik der Beseitigung der unerwünschten Randwirkungen des Wandlers besteht darin, einen Nadellochstop 96 an der Brennebene einer Linse 98, wie in Fig. 3 veranschaulicht, anzuordnen. Ein Wandler 100 sendet eine ebene Welle 102 einschließlich der unerwünschten sphärischen durch die Kanten des Wandlers erzeugten Wellenfront. Die Linse 98 bringt an einem Nadelloch 104 nur für die ebene Wellekomponente des Bündels 102 in Fokus. Der Nadellochstop 96 blockiert dann irgendwelche unregelmäßige Komponente der Wellenfront, wie sie durch einen Strahl 1O6 wiedergegeben ist. Das Ergebnis ist ein Energiebündel 108 mit einer sehr regelmäßigen sphärischen Wellenfront. Der Nadellochstop 96 sollte vorzugsweise aus einem Blatt von schallabsorbierendem Material, wie einem geeigneten synthetischen Gummi, hergestellt sein. Der bevorzugte Durchmesser ρ des Nadelloches 104 ist ungefähr die Auflösungsfähigkeit der Linse, wie sie durch die folgende Gleichung wiedergegeben ist s -

ρ ο 2.44jt|

-7- 009813/1U2

worin X die Wellenlänge von durch den Wandler 100 erseugtem Ultraschall in Wasser, f die Brennweite der Ultraschall-Linse 98 und d den wirksamen Durchnesser der Linse 98 repräsentiert.

Bs sollte beachtet werden, da· die in Fig. 3 veranschau- ■ lichte Gestaltung groBe Anpassungsfähigkeit hat, da der Abstand zwischen dem Wandler 100 und der Linse 98 nur durch Bequemlichkeit bestisnt wird. Pernerhin kann die ganze Anordnung in Bezug auf einen Flächendetektor in einen Abstand angeordnet werden, um den Detektor durch das Bündel 1O8 zu bedecken und die Dichte des Bündels zu bestimmen, wo es auf den Detektor auftrifft. Abgesehen von der-Erzeugung eines sphärischen Bündele 108, das die Randeffekte des Wandlers 100 beseitigt, beseitigt diese Ausbildung der Verwendung eines Nadellochstops 96 irgendwelche andere Verzerrung in der Wellenfront 102, die durch andere Fehler des Wandlers 100, wie eine nicht flache Oberfläche, hervorgerufen sein äugen.

Die Techniken dieses Gesichtspunktes der Erfindung können auah angewendet werden, um die Wellenfront von anderen als flachen Quarswandlern, wie sie bisher veranschaulicht sind, zu verbessern· Fig. 4 zeigt einen sphärisch gestalteten piezoelektrischen Wandler 110 «it einer virtuellen Ultraschallenergie-Punktquelle 112. Solche Wandler senden oft nicht eine perfekte regelmäeige sphärische Wellenfront 114 aus, wegen einer Unregelmäßigkeit der Gestalt der Oberfläche des Wandlers. Durch Verwendung einer Linse 116, die angeordnet ist, um die virtuelle Punktquelle 112 auf einem Punkt an einem Madelloch 118 in einem Nadellochstop 120 abzubilden, wird eine reguläre sphärische Wellenfront 122 gebildet. Bin weiterer Vorteil der Verwendung eines Nadellochstops ist, da* dies die Auswahl eines weniger kostspielig herstellbaren Wandlers viel weniger kritisch macht.

Bin sphärisch gestalteter Wandler 110, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, könnte durch einen flachen Wandler mit einem an ihm angebrachten Linsenelement ersetzt werden. Das Linsenelement würde ein solches sein, um die von dem flachen Wandler ausgesandte ebene Welle in eine sphärische Wellenfront umzuwandeln« Diese Technik, in Verbindung mit der in Fig. 4 veranschaulichten, gestattet die

- ^β - 009813/114 2"

Verwendung eines flachen Wandlers mit sehr kleiner Fläche, der trotzdem eine wünschenswerte reguläre sphärische Wellenfront zwecks Verwendung als ein Bezugsbündel ergibt.

Bevorzugte erfindungsgemäße Ausbildungen und Verfahren der Konstruktion einer Ultraschall-Linse sollen nun unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis IQA, einschiieβlieh, beschrieben werden.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausbildung ist eine verfügbare Flüssigkeit 124 mit einem pv-Produkt, das sehr nahe gleich dem von Wasser oder anderen umgebenden Flüssigkeitsmedien ist, in zwei sphärischen Schalen '125 und 126 eingeschlossen.. Solche Linsen sind hergestellt worden, wobei die Flüssigkeit Tetrachlorkohlenstoff war und die umhüllenden Schalen 125 und 126 aus dünnem Metall bestanden. Die Reflexions- und die Absorptionsverluste der Schalen werden dadurch verringert, daß sie sehr dünn im Verhältnis zur Wellenlänge des Ultraschalls in dem Schalenmaterial gemacht werden. Diese Dicke sollte entweder weniger als 1/4 Wellenlänge in dem Schalenmaterial oder eine integrale Zahl von Halbwellenlängen sein. Je dünner das Material, je kleiner die Verluste. Verluste sind auch bezogen auf die Anpassung des pv-Produktes des Schalenmaterials mit dem von Wasser. Es wurde ermittelt, daß Schalen aus Metallmaterial nicht bevorzugt sind, weil ihr pv-Produkt nicht dem des Wassers angeglichen ist und somit ein sehr dünnes Material im Verhältnis zur Wellenlänge erfordert, um die Verluste auf einem erträglichen Niveau zu halten. Für hohe Frequenzen, wie solche innerhalb des Bereiches von 1 bis 10 MHz, ist die Wellenlänge sehr klein, so daß eine Metallschale mit nur kleinen Verlusten so dünn sein muß, daß sie strukturell nicht gesund ist.

Eine durch die Verwendung von Metallschalenmaterial bedingte Einschränkung bei irgend einer Wellenlänge besteht darin, daß es mit einem besonderen Krümmungsradius für eine gewünschte Brennweite, die nicht geändert werden kann, geformt werden muß. Es ist vorgeschlagen worden, eine Ultraschall-Linse zu erzeugen unter Verwendung eines biegsamen Materials, wie Gummi, für die Schalen 125 und 126, die fest gegen einen inneren Tragring 129 durch äußere Unterstützungsringe 130 und 131 gehalten werden.

00981 3/ 1 U2

Das flüssige Material 124 wird dann durch eine öffnung 128 eingeführt, um die Gummischalen 125 und 126 auf eine gewünschte Brennweite zu expandieren. Dies führt das veränderliche Brennweitenmerkmal ein, was für viele Anwendungen wünschenswert ist. Das Gummimaterial ist jedoch nicht zufriedenstellend, weil es nicht dünn genug gemacht werden kann, um die Energieverluste zu verringern und doch noch eine gwünschte Gestalt, insbesondere für die höheren Ultraschallfrequenzen, aufrechtzuerhalten. Es wurde entdeckt, daß die Schalen 125 und 126, wenn sie aus dünnen Polymermembranen hergestellt werden, sehr dünn im Verhältnis zu der verwendeten Ultraschallwellenlänge gemacht werden können und doch noch Festigkeit und Widerstand gegen Kriechdehnung während der Zeit aufrechterhalten. Da die meisten Polymermaterialien ein günstiges pv-Produkt im Vergleich zu Wasser haben, bedeutet dies, daß die Membranen nicht so dünn wie bei Metall gemacht zu werden brauchen, um den selben Grad von Übertragungswirksamkeit für Ultraschall zu erhalten. Weiterhin können Polymerfilme gespannt werden, was die Herstellung einer Linse mit veränderlicher Brennweite gestattet in Abhängigkeit vom Volumen des flüssigen Materials 124, das in die Kavität zwischen den Schalen 125 und 126 eingebracht ist.

Wie im Falle von optischen Linsen wird die Ultraschall-Linse der Fig. 5 sphärische Aberrationen zeigen, die unerwünscht sind. Dies kann jedoch dadurch verringert werden, daß der Krümmungsradius der Schalen 125 und 126 sehr groß relativ zum wirksamen Durchmesser d der Linse gemacht wird, wodurch sich eine "dünne" Linse ergibt. Es wurde ermittelt, daß Ultraschallbilder guter Qualität erzeugt werden können, wenn der Krümmungsradius R wenigstens viermal der Durchmesser d ist, was dann einen Brechungsindex η oberhalb von 1,5 erfordert, um eine Linse mit einer genügend kurzen Brennweite zu erzeugen. Die Probleme einer hohen, negativen Krümmung, die für feste Linsen aus Metall oder Kunststoff erforderlich sind, bestehen für flüssigkeitsgefüllte Linsen nicht, weil Flüssigkeiten mit einem hohen Brechungsindex vorhanden sind» Ein bevorzugtes flüssiges Material 124 wurde ermittelt in Trichlor-trifluor-äthan, das einen Brechungsindex von η = 2,07 und eine gute pv-Anpassung für niedrige Reflexionsverluste, wenn

- IO -

00 98 1 3/1 U2

die Linse in Wasser bei Raumtemperatur verwendet wird, aufweist. Andere halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen, die als verwendbar für die schallbrechende Flüssigkeit dieser Linse ermittelt wurden, sind die folgenden: Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Äthylbromid, Mthyijodid, Methylbromid und Methyljodid.

Es wurde entdeckt,daß, wenn die Schalen 125 und 126 aus einer Polymer Membran hergestellt sind, die nur an den Ringelementen 129, 130 und 131 befestigt sind, dann die Einfährung einer Flüssigkeit 124 zwischen den Membranen dieselben veranlaßt, sich auszudehnen aber nicht eine zufriedenstellende sphärische Oberfläche zu bilden. Wie in Fig. 6 gezeigt, werden die Membranen und 134 "beutelig", weil die Flüssigkeit 135, die zur Aufrechter-

W haltung niedriger Verluste viel dichter als Wasser oder ein an*· deres umgebendes Medium ist, einen Druck längs des Bodens der Linse erzeugt, wie dies in übertriebener Form gezeigt ist. Wenn eine gasgefüllte Linse in Luft ve ,wendet wird, so tritt dieses Problem nicht auf. Die Ernsthaftigkeit des Problems mit Flüssigkeiten kann betont werden durch Einweis darauf, daß die . Abwei- ^ chung der Membranen 133 und 134 von der einer sphärischen Oberfläche von nur etwa einer Wellenlänge ernsthafte Verzerrungen in den mit dieser Linse erhaltenen Bildern bedeutete Dies kann gelöst werden durch Verwendung der Linse in einer horizontalen Stellung, wo die Membranen 133 und 134 in der sphärischen Form, obgleich vielleicht nicht mit den gewünschten Radien, gehalten

ι würden; aber dies ist eine unerwünschte Beschränkung der Verwendbarkeit einer Ultraschall-Linse, besonders für die im folgenden erörterten Anwendungen. Diese Beutelwirkung kann auch etwas geheilt werden durch Ausdehnen des Volumens der Flüssigkeit 135 und durch das dadurch erfolgende Strecken der Membranen 133, 134 in ausreichendem Maße, so daß sie eine gute sphärische Oberfläche bilden. Es wird dann jedoch eine Linse gebildet, die schwere sphärische Aberrationen wegen eines kleinen Krümmungsradius im Verhältnis zum Linsendurchmesser hat. Es wurde entdeckt, daß, wenn die Membranen 133 und 134 gestreckt werden, ehe sie in den Tragringen montiert werden, eine dünne Linse ohne den in Fig. 6 gezeigten Beuteleffekt konstruiert werden kann, die somit ein Bild verbesserter Qualität erzeugen wird.

- 11 -

009813/1142

In den Pig. 7, 7A und 7B ist ein Verfahren zum Vorstrecken der Linsenmembranen veranschaulicht. Ein dünnes Blatt aus Polymermaterial 136 (oder einem anderen den hierin erörterten Anforderungen genügendem Material) wird zwischen zwei starre Metallringe 137 und 138 zusammen mit einer Dichtung 140 eingeklemmt. Der innere Durchmesser der Ringe sollte bedeutend größer sein als der Durchmesser der zu erzeugenden Linse, wie sich aus dem folgenden ergeben wird. Die Ringe 137 und 138 werden fest durch mehrere Schrauben 141 zusdmmengeklemmt. Dieser Zusammenbau wird dann über einen Ring 142 gelegt und dicht an demselben durch Schrauben 143 befestigt, wodurch der Polymerfilm 136 gedehnt wird. Ein mittlerer Tragring 144 und ein äußerer Tragring 145 werden dann auf jede Seite des Polymerfilms 136 geklemmt, um einen Teil der im Querschnitt in Fig. 7A gezeigten Linsenstruktur zu bilden. Diese zwei Ringe werden durch mehrere Schrauben 147 dicht zusammengehalten. Ein zweiter Polymerfilm 148 kann dann in der gleichen Weise, wie dies in Bezug auf Fig. 7, 7A und 7B gezeigt ist, gespannt und zwischen dem mittleren Tragring 144 und einem äußeren Tragring 149 unter Verwendung von Schrauben 150 eingeklemmt werden.

Fig. 8 zeigt die fertiggestellte Linse in Draufsicht. Ein Nadelventil 152 ist im Inneren einer öffnung 153 des mittleren Tragringes 144 eingeschraubt, um den Flüssigkeitsfluß in die zwischen den Polymerfilmen 136 und 148 gebildete Kavität zu kontrollieren. Wenn Flüssigkeit durch dieses Ventil in die Kavität eingebracht wird, kann Luft herausgelassen werden durch öffnen eines Entlüftungeventils 154, das in eine Öffnung 155 des mittleren Tragelementes eingeschraubt ist. Wenn alle Luft aus der Kavität abgelassen ist, wird das Entlüftungsventil 154 geschlossen und Flüssigkeit wird durch das Nadelventil hereingepeßt, bis die Polymermembranen 136 und 138 eine sphärische Form mit dem gewünschten Krümmungsradius annehmen.

Fig. 9 veranschaulicht einen Plunger oder Kolben, der zur Kontrolle der in der Linse angeordneten Flüssigkeitsmenge verwendet werden kann. Eine Kammer 180wird durch Gehäuse 181 geformt, die einen Plunger 182 umfaßt, der O-Ringe 183 und 184 zur Bildung einer Dichtung aufweist. Eine in ein Ende des Gehäuses 181 eingeschraubte Stange 185 erteilt dem Plunger 182 die hin- und hergehende

"¹²~ 009813/1142

Kraft, um Flüssigkeit aus der Kammer 180 durch die Rohröffnung 186 des Rohres 188 zu drücken. Dieser Plungerzusammenbau kann dauernd durch das Rohr 188 mit dem Nadelventilzusammenbau 152 verbunden sein, um die Flüssigkeitsmenge in der Linse und dadurch deren Brennweite zu kontrollieren«

Bei der Konstruktion einer Linse mit diesem neuen Vordehnungsschritt sollte das für die Membranen ausgewählte Material einen hohen Dehnpunkt haben und sollte so vorgedehnt werden, daß, wenn sie in der fertigen Linse durch inneren Flüssigkeitsdruck weitergedehnt werden, die Spannung in den Membranen dicht an ihrer Proportionalitätsgrenze sein wird. Dies wird die Übereinstimmung mit einer sphärischen Form verbessern«.

Verschiedene für die Membranen geeignete Polymerfilme sind im Handel erhältlich. Typische Polymerfilme umfassent Polyester (z.B. Polyäthylenterephthalat), Polyimide (z.B. das SLyimid von Pyromellitsäure und Bis-(4-aminophenyl)-äfcher), Fluorkohlenstoffpolymere und Mischpolymere (z.B. das Mischpolymer von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpopylen), Polyvinylfluorid, Polyvinylidenchlorid, Polyolefine, und dergleichen. Der Riymerfilm kann gewünsch ten falls hitzeechrumpfbar ein, wie etwa ein hitzeschrumpfbarer Polyäthylenterephthaldf ilm. Auch kann der Film aus Celluloseacetat hergestellt sein, das normalerweise ohne Orientierung durch Gießen unter Verwendung eines Lösungsmittels zubereitet wird.

Obgleich die Verbesserung für eine doppelkonkave Linse beschrieben wurde, so ist doch zu verstehen, daß viele Variationen in der Gestalt der Linse möglich sind, während trotzdem von der verbesserten Kombination von Materialien und Verfahren der Konstruktion der erfindungsgemäßen Linse Gebrauch gemacht wird. Beispielsweise könnte eine doppelkonkave Linse wie oben dargelegt, konstruiert werden, außer daß, wenn alle Luft aus der Kavität zwischen den beiden Membranen 136 und 148 der Fig. 8 herausgetrieben ist, Flüssigkeit abgezogen werden würde. Das umgebende Wasser oder andere Ultraschallübertragungsmedien übt den notwendigen Druck auf die Membranen aus, damit sie die konkaven

. ■ - 13 -

¹ 0098 13/1142

1942*23

Gestaten in Abhängigkeit von dem zwischen ihnen verbleibenden Flüssigkeitsvolumen annehmen. Fernerhin kann eine erfindungsgemäß verbesserte Linse mit nur einem Membran konstruiert werden; . das andere die Linsenflüssigkeit einschließende Element kann ein festes Element oder sogar ein Wandler sein.

Eine Membrane kann auch Spannung nach Herstellung der Linse durch eine.Hitzeschrumpftechnik unterworfen werden. Das gewünschte Volumen der Linsenflüssigkeit ist in eine Linsenkavität, die aus Schalen aus hitzeschrumpfbaren Polymerfilmen besteht, eingebracht. Erhitzen der Filme entwickelt die für eine sphärische Linsengestalt erforderliche Spannung.

Eine weitere erfindungsgemäße Technik des Dehnens der Membranen ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die Membranen 189 und 190 bilden eine Kavität 191 zwischen sich zusammen mit dem mittleren Tragring 192 und Dichtungen 193 und 194. Die Membranen 189 und 190 werden in Ringzusammenbauten 195 und 196 gehalten, ähnlich denen, die in Fig. 7 gezeigt sind, und werden durch mit Schraubengewinde versehene Teile 197 an dem mittleren Ringträger 192 befestigt. Der mittlere Ringträger 192 und die Membranen 189 und

190 werden lose zusammengebracht unter Bildung dieser Linse, und dann wird eine vorgeschriebene Flüssigkeitsmenge in die Kavität

191 eingebracht. Flügelmuttern 198 und 199 werden dann gedreht, um die Membranen zu dehnen, bis eine Linse mit sphärischen Oberflächen gebildet ist. Zusätzliche Ringklammern 156 und 157 mit Dichtungen 158 und 159 werden hinzufügt, um die Abdichtung des Volumens 191 zu verbessern. Diese Ausbildung der Erfindung gestattet auch weiteres Spannen der Membranen, nachdem die Linse hergestellt ist, um für Kriechen zu kompensieren.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt, wo eine brechende Linsenflüssigkeit 362 zugrechen zwei Membranen 350 und 352 angeordnet ist, die, wie im Vorangehenden beschrieben^ vorgespannt sind. Eine Kammer 354 wird durch Hinzufügung einer dritten Membrane 356 gebildet. Eine dritte Kammer 358 wird durch Hinzufügen einer vierten Membran 360 gebildet. Die Kammern 354 und 358 werden mit derselben Flüssigkeit gefüllt, in der die Linse eingetaucht ist, was in den meisten Fällen Wasser sein wird, so daß dort keine Brechung an den durch die Membranen

J₄ 009813/1U2

356 und 360 gebildeten Grenzflächen auftritt« Der Zweck dieser zwei hinzugefügten Kammern ist. Druck auf die Membranen 350 und 352 auszuüben, um für den Druck der schallbrechenden Flüssigkeit 362 zu kompensieren. Wenn der Druck in den beiden Kammern 354 und 358 gleich groß gemacht wird, so ergibt sich eine Linse mit denselben Abbildungseigenschaften wie die im Vorangehenden erörterten, aber sie hat den Vorteil, daß die Membranen 350 und weniger anfällig zum Kriechen über eine gewisse Zeitspanne sein werden. Fernerhin werden die Membranen 350 und 352 ungleiche Krümmungsradien annehmen, wenn die Drucke in den Kammern 354 und 358 ungleich gemacht werden, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, eine Linse mit weiterer Korrektur der sphärischen Aberration herzustellen.

Alternativ könnte die Gestaltung der Fig. 1OA für eine Viel-Element-Linse zwecks Aberrationskorrektur verwendet werden· Schallbrechende Flüssigkeit kann In die Kammern 354 und 358 eingebracht werden, sowohl wie oder anstelle innerhalb der durch die Membranen 350 und 352 begrenzten Kammer. Ms in diese drei Kammern angeordneten Flüssigkeiten können verschiedene oder gleiche Brechungseigenschaften haben in Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis. Fernerhin können eine oder mehrere der Membranen so ausgebildet sein, daß sie durch Einstellung der relativen Flüssigkeitsmengen in den drei Kammern andere Krümmungsrichtungen annehmen als die in Fig. 1OAgezeigten Richtungen.

In dieser ganzen Beschreibung ist angenommen, daß die Linse sphärisch gemacht ist, aber es sollte verstanden werden, daß die Techniken der Erfindung gleichfalls anwendbar sind auf eine zylindrische Linse oder auf eine andere Gestalt, die solche eine gespannte Membrane die Neigung haben wird anzunehmen, wenn ihr Rand in einer besonderen Weise gehalten und sie mit einer gewünschten Flüssigkeitsmenge gefüllt ist.

- Ansprüche - 15 -

00981 3/1U2

Claims

Patentansprüche

(\y Ultraschall-Linse, ge kennzeichnet durchs erste und zweite Flüssigkeiten, die einen Brechungsindex für Ultraschallvrellenenergie an der Grenzfläche zwischen ihnen auf weisen; und

ein dünner synthetischer Polymerfilm (z.B. 136,148 - Fig. der Flüssigkeiten ander Grenzfläche trennt.

2. Ultraschall-Linse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (180 bis 186) zur Verursachung eines Druckdifferentiales zwischen der ersten und zweiten Flüssigkeit, um den Polymerfilra (136, 148) zu veranlassen, eine gekrümmte Oberfläche zu bilden.

3. Ultraschall-Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da6 die Mittel (180feisl86) den Polymerfilm (136,148) Innerhalb seines elastischen Bereiches spannen können zwecke Bildung einer Oberfläche mit im wesentlichen konstantem Krümraungsradius.

4. Ultraschall-Linse nach Anspruch 1,2, oder 3 mit wenigstens zwei an einem Rahmen befestigten elastischen Elementen zur Bildung einer Kavität zwischen denselben und einer innerhalb der Kavität angebrachten schallbrechenden Flüssigkeit, deren Volumen die Krümnung der Elemente bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dafi wenigstens eines der elastischen Elemente(136,148) biegsames synthetisches Polymermaterial umfaßt.

5. Ultraschall-Linse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich

- 16 -

00981 3/1U2

net, daß die beiden elastischen Elemente (136,148) in einem Ausmaß gestreckt sind, daß sie eine Linse mit im wesentlichen konstantem Krümmungsradius bilden«

6. Ultraschall-Linse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eines der elastischen Elemente (136,148) aus Polymerfilm von einer Dicke besteht, die auf eine halbe Wellenlänge des in dem Film durch die Linse hindurchtretenden Ultraschalls bezogen ist.

7. Ultraachall-Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das polymerische Material ein orientiertes synthetisches Polymermaterial umfaßt.

8. Ultraschall-Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polymerische Material ein Polyestermaterial umfaßt«

9. Ultraschall-Linse nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Polymermaterial Polyäthelyneterphthalat umfaßt.

10. Ultraschall-Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die schallbrechende Flüssigkeit ein vorzugsweise flüssiges, halogeniertes Kohlenwasserstoff umfaßt.

11. Ultraschall-Linse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das halogeniert^ Kohlenwasserstoff flüssiges Trichlor-tri-fluor-ä than umfaßt.

- 17 -

00981 3/1 U2

12. Ultraschall-Linse nach einem der Ansprüche 4 bis 11 zur Verwendung in einem ultraschallübertragenden flüssigen Medium, gekennzeichnet durch:

erste und zweite elastische Membranen (350,352), die an einem

erstes
Rahmen befestigt sind, um eine/Kavität (362) zwischen ihnen zu bilden, die mit einem flüssigen Material gefüllt ist; und dritte und vierte elastische Membranen (356,360), die an dem Rahmen auf beiden Seiten der ersten und zweiten Membrane (350,352) befestigt sind zur Bildung von zweiten und dritten Kavitäten (345,358), die mit einem flüssigen Material gefüllt sind, wodurch die flüssigen Materialien in den Kavitäten gewählt werden, daß sie ultraschallbrechende Eigenschaften haben im Verhältnis zueinander und im Verhältnis zu dem ultraschallübertragenden flüssigen Medium, um eine Vielelementlinse mit einer gewünschten Charakteristik zu erzeugen.

13. Ultraschall-Linse nach Anspruch J54T, dadurch gekennzeichn e t , daß das flüssige Material in den zweiten und dritten Kavitäten (362,354) das ultraschallübertragende flüssige Medium ist.

14. Verfahren zur Bildung einer Ultraschall-Linse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: Bilden einer gewünschten Grenzfläche mit konstanten Krümmungsradius zwischen zwei Flüssigkeiten, in denen Ultraschallenergie sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt; und Anordnen an6er Grenzfläche einer elastischen Membran, die nahe ihrer Proportionalgrsnze gespannt ist.

- 18 -

009813/1U2

- 18 -

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Polymerfilm von einer Dicke als elastische Membrane angeordnet wird, die ein ganzer Bruchteil einer halben Wellenlänge von Ultraschallenergie in dem Film ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 der Herstellung einer Ultraschall-Linse zwecks Verwendung in einem ultraschallübertragenden flüssigen Medium, gekennzeichnet durch: Spannen eines dünnen elastischen Filmes über einen Rahmen; und Anordnen des gespannten Filmszum Trennen einer schallbrechenden

Flüssigkeit von dem flüssigen ultraschallübertragenden Medium.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Spannen der Membran oder des dünnen Filmes eine Kavität zur Aufnahme einer Menge einer Flüssigkeit bzw. der schallbrechenden Flüssigkeit gebildet wird. .

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 zum Bilden einer Ultraschall-Linse zwecks Verwendung in einem flüssigen ultraschallenergieübertragenden Medium, gekennzeichnet durch:

Bestimmung eines Volumens von schallbrechender Flüssigkeit, die für eine besondere Linsenanwendung erforderlich ist; und Spannen von dünnen elastischen Filmen mit Oberflächen von im wesentlichen konstanten Krümmungsradius auf den gegenüberliegenden Seiten des Volumens.-

- 19 -

0098 13/1142

13. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durchi

Spannen von wenigstens zwei elastischen Membranen über einen Rahmen, um eine Kavität zwischen ihnen zu bilden; und

Fällen der Kavität mit einem Volumen von ultraschallbrechender Flüssigkeit, um eine Ultraschall-Linse zu bilden, die Oberflächen mit dem gewünschten Krümmungsradius hat.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran, der Film oder wenigstens eine der Membranen aus gespanntem Polymerfilm besteht.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch Strecken der elastischen Membranen oder Filme in einem Ausmaß, daß sie sich nach erfolgter vollkommener Füllung der Kavität im wesentlichen an ihrer Proportionalitätsgrenze befinden.

22. Verfahren des Abbildens eines UltraschalIfeldes auf einer Oberfläche auf eine andere Oberfläche, gekennzeichnet durch Anordnung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis ausgebildeten Linse zwischen diesen Oberflächen.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20 der Bildung einer Ultraschall-Linse, gekennzeichnet durch Spannen der Membranen innerhalb ihres elastischen Bereiches, um Linsenoberflächen mit im wesentlichen konstanten Krümmungsradien zu bilden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1.4 bis 23 der Konstruktion einer Ultraschall-Linse, gekennzeichnet durch:

- 20 - 009813/1142

Bilden einer Kavität zwischen zwei biegsamen Membranen und Füllen der Kavität mit einem Volumen von ultraschallbrechender Flüssigkeit; und

Spannen der Membranen innerhalb des elastischen Bereiches in der Nähe einer Proportionalgrenze.

009813/Ί142

Leerseite