DE2155853A1

DE2155853A1 - Verfahren und einrichtung zur sichtbarmachung von mikroschwingungen, insbesondere von schwingungen des trommelfelles von mensch oder tier

Info

Publication number: DE2155853A1
Application number: DE19712155853
Authority: DE
Inventors: Lothar Ulrich Eber Kohlloeffel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-10
Filing date: 1971-11-10
Publication date: 1973-05-24
Also published as: DE2155853C3; DE2155853B2

Description

Verfahren und Einrichtung zur Sichtbarmachung von Mikroschwingungen, insbesondere von Schwingungen des Trommelfelles von Mensch oder Tier Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere des Trommelfelles von Mensch oder Tier.
Es ist auf vielen technischen Gebieten von Interesse, schwingende Bereiche von Objekten sichtbar zu machen, insbesondere um festsustellen, welch. Teilbereiche eines Körpers in Schwingung versetzt sind und wie sich lage und Umfang der schwingenden Bereiche mit der Schwingungsfrequenz und mit der Intensität einer Schwingungserregung ändern. Auch auf biologisch-medizinischem Gebiet ist es von Interesse, bei schwingenden Organen oder Organteilen die Schwingungabereiche zu lokalisieren. So ist es beispielsweise fUr eine grUndliche Untersuchung des Ohres te1 Gehörschäden von besonderem Interesse, die Schwingungsbereiche eines natürlich oder künstlich beeinflußten Trommelfellen genau zu lokalisieren und Veränderungen dieser Bereiche in Abhängigkeit von der auftreffenden Schallfrequenz und Schallintensität feststellen zu können, weil daraus wichtige Rückschlüsse für operative Eingriffe gesogen werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine BinrichtuFg su schaffen, mit deren hilfe Mikroschwingungen von auch sehr kleinen Objekten, insbesondere auch schallbedingte Schwingungen des Trommelfelles von Menschen oder Tieren sichtbar su aachen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Beleuchtung der Objektoberfläche mit Laserlicht und die Erfassung eines von den an der schwingenden Oberfläche reflektierten Laserlichtstrahlen gelieferten Bildes gelöst.
Das Verfahren gemäß der Erfindung geht aus von der Tatsache, daß mit laserlicht beleuchtete Oberflächen ein geflecktes Bild ergeben, wobei die Plecken auf Grund von Interferenzen des von der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtes auftreten. Der Anmelder hat in wissanschaftlichen Arbeiten festgestellt, daß bei einer Verformung der Oberfläche eines Objektes, wie sie bei schwingenden Körpern auftreten, Phasenveränderungen innerhalb der zurUckgeworfenen Lichtstrahlen auftreten, die den Zustand der ursprünglichen und bei ruhender Oberfläche auftretenden Interferenzen andern Be einer ausreichend starken Verformungsamplitude und Verformungsgeschwindigkeit der Oberfläche werden die ursprünglich nach Lage und Umfang definierten Flecken verschwommen und unscharf. Auf diese Weise lassen sich auf einer schwingenden Oberfläche, beispielsweise auf einem von Laserlicht beleuchteten Trommelfell, die schwingenden Bereiche genau analysieren.
Bei Objekten größerer Abmessungen ist es vorteilhaft, von der laserlichtbeleuchteten Objektoberfläche ein Bild zu erfassen, das sich nach Interferenz der an der schwingenden Oberfläche reflektierten Laserlichtstrahlen nit nicht an der schwingenden Fläche reflektierten Laserlichtstrahlen ergibt. Die Schwingungsbereiche werden in diesem all ebenfalls als verschwomoena flächen dargestellt, wobei sich der Unschärfeeffekt aufgrund der Interferonz zwischen der Referensstrahl mit konstantem Phasengehalt und den von der Obsrfläche reflektierten Lichtstrahlen mit sich änderndem Phasengehalt ergibt.
Mit einem Verfahren gemäß der Erfindung kann auch die Auswirkung von Wanderwellen auf der Oberfläche eines Objektes untersucht werden, wenn die Beleuchtung der schwingenden Oberfläche intermittierend erfolgt und die Intensität der Schwingungserzeugung em Objekt und seine Beleuchtung beztiglich der Dauer und Phasenlage in gegenseitiger Abhängigkeit durohgefffhrt werden Dabei lassen sich die Phasenbeziehungen innerhalb der Wanderwelle messen, wenn das Beleuchtungsintervall die Dauer eines endlichen Bruchteils der Schwingumgsperiode des Objektes hat. Während des endlichen Beleuchtungsintervalls verformt sich die schwingende Oberfläche, und durch die verschiedenen Unsohärfegrade in dem erfaßten Bild lassen sich die unterschiedlich starken Terformungen verschiedener Bereiche bestimmen. Die Verformungen sind größer in Bereichen relativ größerer Verformungsgeschwindigkeit als in Bereichen relativ kleinerer Verformungsgeschwindigkeit.
Bereiche relativ größerer Verformungsgeschwindigkeit sind Bereiche, für die das Beleuchtungsintervall mit der Zeit des Schwingungsnulldurchgangs zusammenfällt, so daß in Bereichen der Nulldurchgänge die Unschärfe in der Abbildung bei relativ kleineren Schwingungsaussohlägen auftritt als in Bereichen, für die das Beleuchtungsintervall und die Zeit des Durchgangs durch -das Schwingungsmaximum zusammenfallen. Auf diese Weise können also die Phasenbeziehungen innerhalb der Wanderwelle gemessen werden.
Mit einem Verfahren gemäß der Erfindung läßt sioh aber auch die Phasenverteilung innerhalb einer Wanderwelle und auch innerhalb einer stehenden Welle durch die Beobachtung der Verschiebung von Bildflecken feststellen, die erfolgt. wenn bei einer stroboskopischon, also regelmäßig intermittierenden Beleuchtung der schwingenden Oberfläche die Schwingungsamplitude der Oberfläche langsam geändert wird. Diese Amplitudenänderung führt in Bereichen, die in entgegengesetzter Phase schwingen, zu entgegengesetzten Fleckenbewegungen.
Nit einem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sioh also sehr genaue Analysen der Schwingungseigenscha£ten von Oberflächen machen.
Ein großer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß sich die Verfahren gemäß der Erfindung mit relativ wenig Aufwand durchführen lassen. Einrichtungen zur Durchführung der Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schaltgeber, einen Laserlichtgeber und erforderlichenfalls ein Mikroskop als Bildgeber aufweisen. Zur Feststellung der Schwingungen von Mikroobjekten und bei Schwingungsausschlägen in der Größenordnung eines kleinen Bruchteiles der Wellenlänge des Laserliohtes reichen diese Einrichtungen sul Sichtbarmachen der schwingenden Bereiche schallgereizter Objekte aus. Bei größeren Objekten weisen die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahles zweckmäßig einen im Lichtweg vom Laserlichtgeber zur schwingenden Oberfläche angeordneten Lichtspalter auf, mit welchem ein Qeil des vom Laserlichtgeber kommenden Lichtes als Referenzstrahl zusammen mit dem von dar schwingenden Oberfläche reflektierten Licht in das Hikroskop geleitet wird. Dieser Lichtspalter kann durch einen halbreflektie@enden Spiegel gebildet sein, und die Einrichtung weist vorteilhafterweise noch ein Dämpfungsglied fur den Referenzstrahl auf, beispielsweise eine Polarisierscheibe, mit welchem die Intensität des Referenzstrahles an die Intensität der reflektierten Strahlung angepaßt werden kann.
Die Anwendung der Einrichtung kann durch die Verwendung eines Hohlkörpers mit zwei aufeinander ausgerichteten öffnungen an entgegengesetzten Enden erleichtert werden, wobei eine dieaer Öffnungen vor der schwingenden Oberfläche ohne Berührung mit ihr, und die andere Öffnung vor dem bildgebenden Teil der Einrichtung, beispielsweise vor dem Objektiv des Mikro skops und/oder vor dem Lichtspalter angeordnet ist.
Dieser Hohlkörper kann als einseitig offene Schallkammer ausgebildet und mit dem ßchallgeber direkt gekoppelt sein, wobei dann die mikroskopseitige Öffnung des hohlkörpers durch ein Glasfenster verschlossen ist, durch welches die Laserstrahlen hindurchtreten können. Die vom Laserlichtgeber gelieferten laserstrahlen werden zweckmäßig durch einen flexiblen Iiohtleitstab auf die schwingende Oberfläche oder auf den Lichtspalter geleitet, wodurch eine größere Freiheit bei der Anordnung des Laserlichtgebers gegenüber dem Bildgeberteil der Einrichtung erreicht wird.
Zur Durchführung einer stroboskopischen Laserbeleuchtung einer schwingunden Oberfläche kann die Einrichtung einen Lichtstrahlmodulator am Ausgang d@@ Laserlichtgebers aufweisen, beispielsweise eine @ichtstrahlunterbrecher, der von einem dem Schwingungsgeber zugeordneten Generator gesteuert ist. Zweckmäßig wird hierbei der Nodulator Uber ein Verzögerungsglied und/oder einen Impulsformer und/oder einen Verstärker mit dem Generator verbunden.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der zwei Ausführungsbeispiele einer Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt sind.
Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Teile einer ersten Ausführungsform der Einrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Teile einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung für eine stroboskopische Beleuchtung der schwingenden Oberflächen.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist einen Laserlichtgeber 10 auf, dessen Licht über einen Lichtleitstab 11 auf einen durch einen halbversilberten Spiegel 12 gebildeten Lichtspalter gegeben wird. Der halbversilberte Spiegel 12 liegt in an sich bekannter Anordnung unter einen Winkel von 450 sowohl zu den einfallenden Laserlichtstrahlen 13a als auch zu der optischen Achse eines Mikroskopes 14 und der Längsachse eines Hohlkörpers 15.
Der längliche Hohlkörper 15 weist an seinem vorderen Ende eine Öffnung 151 und sn seinem entgegengesetzten Ende eine weitere Öffnung 152 auf, welch letztere durch ein Glasfenster 16 verschlossen ist, Die vordere Nffnung 151 des Hohlkörpers 15 wird direkt vor einem symbolisoh angedeuteten Trommelfell 17 angeordnet.
Der Hohlkörper 15 ist als Schallkammer ausgebildet und zu diesem Zweck mit einem seitlichen Rohransatz 153 versehen, an dessen Ende ein Schallgeber 18 angeordnet ist. Der Schallgeber kann ein einfacher Lautsprecher sein, der von einem Tongenerator 19 über eine einstellbare verstärkerstufe 20 and/oder eine Däupfungestufe 21 erregbar ist.
Das vom Laserlichtgeber 10 durch den Lichtleitstab 11 auf den halbversilberten Spiegel 12 gelangende Laserlicht wird in der Hauptsache als lichtstrahl 1)b durch den Hohlkörper 15 hindurch auf das Trommelfell 17 abgelenkt. Die von dort reflektierten Strahlen 13o gelangen durch den halbversilberten Spiegel 12 hindurch in das Mikroskop 14, zusammen mit einem Referenzstrahl 13e von Laserlicht, der aus demjenigen Lichtanteil besteht, der vom lichtstrahl 13a als lichtstrahl 13d durch den halbversilberten Spiegel 12 hindurchtritt, und, reflektiert sn einem Spiegel 22, gedämpft durch eine Polarisierscheibe 23, an der Rückseite des halbversilberten Spiegels 12 abgelenkt in das Mikroskop gelangt. Das Mikroskop liefert ein Bild, das sich durch eine Uberlagerung der lichtstrahlen 13c und 13e ergibt.
Dabei erhält man eine Abbildung des Trommelfelles mit unscharfen Bereichen, welche die schwingenden Bereiche des Trommelfelles kennzeichnen.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Einrichtungsteile können mindestens teilweise zu einem kompakten Gerät kombiniert sein. Im Hikroskop läßt sich bei einer Änderung des am Trommelfell auftretenden Schalldruckes, der sich am Verstärker 20 oder der Dämpfungsstufe 2t verändern läßt, die Ausbreitung der Unschärfebereiche auf dem Trommelfell, also die Vergrößerung der schwingenden Bereiche des Trommelfelles, mit wachsendei Schalldruck beobachten.
In Fig.2 ist eine Einrichtung schematisch dargestellt1 die weitgehend aus den gleichen Teilen aufgebaut ist wie die Einrichtung nach Fig.1. Gleiche Teile sind da her mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Pig. t. Im Gegensatz zu der Einrichtung nach Fig.1, bei welcher eine kontinuierliche Beleuchtung des Trommelfalles 17 mit laserlicht erfolgt, ist die Einrichtung nach Fig .2 für eine intermittierende Beleuchtung des Trommelfelles, und zwar eine schallsynchrone Beleuchtung des Trommelfelles ausgelegt. Nit dieser Einrichtung lassen sich in Erwsiterung des mit einer Einrichtung nach Fig.1 erzielbaren Meßverfahrens auch die Relativbewegungen verschiedener Bereiche des Trommelfelles feststellen, wenn der Schalldruck variiert wird.
Damit kann die Phasenverteilung der Trommelfellschwingung gemessen werden.
Der Nodulator 24 wird vom Tongenerator 19 oder vom Verstärker 20 aus titer einen Impulsformer 25, über ein Verzögerungsglied 26 und Uber eine Verstärkerstufe 27 gesteuert. Mit Hilfe des Verzögerungsgliedes 26 kann die Phasenlage der Beleuchtungszeit gegenüber der Phasenlage des auf das Trommelfell einwirkenden Schallsignales verändert werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere des Trommelfelles von Mensch oder Tier, gekennzeichnet durch die Beleuchtung der Objektoberfläche mit laserlicht und die Erfassung eiaes von den au der schwingenden Oberfläche reflektierten Laserlichtstrahlen gelieferten Bildes.

2. Verfahren zur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche eines Objektes, insbesondere des Trommelfelles von Mensch oder Tier, gekenew zeichnet durch die Beleuchtung der Objektoberflä che mit laserlicht und die Erfassung eines Bildes, das sich nach Interferenz der an der schwingenden Oberfläche reflektierten Laserlichtstrahles mit nicht an der schwingenden Fläche reflektierten Laserlichtstrahlen ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der schwingenden Oberfläche intermittierend erfolgt, und daß die Schwingungserzeugung des Objektes hinsichtlich der Intensität und die Beleuchtung hinsichtlich der Unterbrechungsfrequenz, Unterbrechungsdauer und Phasenlage in gegenseitiger Abhängigkeit durchgeführt werden.

4. Einrichtung sur Sichtbarmachung der schwingenden Oberflächenbereiche eins akustischen Schwingkörpers, insbesondere des Trommelfelles von Mensch oder Tier, gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sohallgeber (18) einen Laserlichtgeber (10) und erforderlichenfalls ein Mikroskop (14) als Bildgeber aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg vom Laserlichtgeber (10) zur schwingenden Oberfläche (Trommelfell 17) ein Lichtspalter (Spiegel 12) angeordnet ist, dergestalt, daß ein Teil (13d) des vom Laserlichtgeber (10) kommenden Lichtes (13a) als Referenzstrahl (13e) zusammen mit dem von der schwingenden Oberfläche (17) reflektierten Licht (13c) in das Mikroskop (14) geleitet wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennseichnet, daß ein Dämpfungsglied für den Referenzstrahl (13e) beispielsweise eine Polarisierscheibe (23), vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Liohtspalter durch einen halbreflek tie@enden Spiegel (12) gebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Anspruche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Hohlkörper (15) mit srwei aufeinander ausgerichteten Öffnungen (151,152) an den entgegengesetzten Enden des Hohl körpers aufweist, und daß eine dieser Öffnungen (151) vor der schwingenden Oberfläche (17) ohne Berührung mit ihr angeordnet ist und die andere Öffnung (152) vor dem Objektiv des Mikroskops (14) und/oder dem Lichtspalter (12) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (15) als Schallkammer aus gebildet und mit dem Schallgeber (18) gekoppelt ist, und daß die mikroskopseitige Öffnung (152) des Hohlkörpers (15) durch ein Glasfenster (16) verschlossen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Ausgang des laser lichtgebers (10) mit einem vorzugsweise flexiblen Lichtleitstab (11) als Laserstrahlleiter gekoppelt ist.

11. Einrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 10 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Baserlichtgebers (10) ein Lichtstrahlmodulator (24), beispielsweise ein Lichtstrahlunterbrecher, nachgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von elnem dem Schallgeber (18) zugeordneten Generator (19) oder Verstärker (20) gesteuert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (24) über ein Verzögerungsglied (26) und/oder einen Impulsformer (25) und/oder einen Verstärker (27) mit dem Generator (19) verbunden ist.