DE2313267A1

DE2313267A1 - Verfahren und vorrichtung zur umwandlung von strahlung durch rotierende abtastung

Info

Publication number: DE2313267A1
Application number: DE19732313267
Authority: DE
Inventors: John Daniel Shelton St
Original assignee: Holotron Corp
Current assignee: Holotron Corp
Priority date: 1973-03-06
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1974-09-26
Also published as: FR2222658B1; AU481693A; NL7303787A; FR2222658A1; GB1446022A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung durch

rotierende Abtastixag

Die Erfindung "bezieht sich generell auf die Technik der Sichtbarmachung einer Viellenfront, die eine Wiedergabe gewisser Merkmale einer unsichtbaren V/ellenfront, die betrachtet werden soll, darstellt. Ein gewöhnliches Beispiel für eine derartige Umwandlung von Strahlung bildet die Beleuchtung eines Ra\:mec oder eines freien Geländes mit elektromagnetischer Infrarotstrahlung, die selbst unsichtbar ist, wobei jedoch die Reflexionen in sichtbare Strahlung umgewandelt werden und der Raum bzw. das freie Gelände so betrachtet v/erden kann, wie es von der Infrarotstrahlung "gesehen" wird. Als weiteres Beispiel sei die Bestrahlung eines Gegenstandes mit Ultraschallenergie genannt, wobei die von dem Gegenstand reflektierte oder den Gegenstand durchsetzende Wellenfront ins Optische umgesetzt und als Bild des Gegenstands betrachtet werden kann, wie er von dem Ultraschall "gesehen" wird. Die Erfindung wird nachstehend in eriJter Linie im Bereich der Ultrascha11-Abbildung beschrieben, da ihr größter Nutzen derzeit in einer solchen Anwendung liegt; v/ohlgemerkt läßt sich die erfindungsgemäße Technik jedoch auf jede beliebige nicht-sichtbare Bestrahlung eines Gegenstands oder einer Szene anwenden.

Der Ausdruck "Strahlung" ist im weitesten Sinne als Energie ausbreitung definiert. Speziell kann die Energie beispiels--

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weise die Form einer Partikelstrahlung etwa wie bei einem Elektronenstrahl, einer elektromagnetischen Strahlung wie etwa Licht oder einer akustischen Strahlung wie etwa Ultraschallenergie haben. Die bei der "Ultraschall-Abbildung" verwendeten Schallfrequenzen beschränken sich im weitesten Sinne auf keinen bestimmten Bereich, sondern umfassen das gesamte Spektrum der Drucitwellenenergie. .Man hat jedoch festgestellt, daß bei praktischen Ausführungsformen dieser Technik die höheren Schallfrequenzen (d.h. die Frequenzen, die wesentlich über dem hörbaren Bereich liegen) zweckmäßiger sind als die tieferen. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Beschreibung anstelle des allgemeineren Ausdrucks "Druckwellenenergie" von "Ultraschallenergie" gesprochen.

Man hat die Sichtbarmachung von Gegenstände passierenden Ultraschall-Wellenfronten oder -Feldern bisher dazu benützt, die Eigenschaften derartiger Gegenstände zu studieren und die Anwesenheit von Rissen oder Fehlern zu bestimmen. Dazu wird eine kontinuierliche Ultraschall-Wellenfront mittels einer geeigneten Quelle erzeugt, die einen Ultraschall-Strahl erzeugt. Der Strahl durchsetzt den Gegenstand und wird dabei von dem Gegenstand aufgrund seiner Wechselwirkungs-Kennlinien modifiziert, wobei die spezielle Ultraschallfrequenz dazu dient, einen Informationen des Gegenstands tragenden gegenstandsmodifizierten Ultraschallstrahl zu bilden. Die Sichtbarmachung von reflektierten Ultraschall-V/ellenfronten oder -Feldern dient dazu, die Anwesenheit von Gegenständen in großen Wassermassen festzustellen, die sich nicht direkt betrachten lassen. In jedem Fall trägt der Ultraschallstrahl nach seine.r Modifizierung durch den Gegenstand Informationen desselben, die sichtbar gemacht werden sollen, und aus diesem Grund ist eine Umwandlung des Ultraschalls ins Optische erforderlich.

Es gibt zwei bekannte Techniken, diese Umwandlung durchzuführen; eine davon wird als "direkte Abbildung" bezeichnet,

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während die andere in der kürzlich entwickelten holographieschen Technik besteht. Bei der direkten Abbildung wird die von dem Gegenstand modifizierte Ultraschall-Y/ellenfront an einer Detektorfläche direkt ins Optische umgewandelt. Dabei wird etwa ein Ultraschall-Schattenbild des Gegenstands auf die Detektorfläche geworfen; gewöhnlich wird es jedoch bevorzugt, auf dieser Fläche eine gewünschte Ebene innerhalb des zu untersuchenden Gegenstands unter Verwendung einer Ultraschall-Linse abzubilden. Um eine andere Ebene des Gegenstands zu betrachten, müssen dabei die Kenngrößen des Ultraεcha11-Abbildungssystems entsprechend verändert werden. Ein Beispiel für eine derartige direkte Abbildung ist in dem Buch von Hueter und Bolt, "Sonics", Verlag Wiley, 1955, Seite 353 dargestellt. Den dort gezeigten Detektor bildet die bekannte Pohlman-Zelle, bei der Partikel in einer Flüssigkeit suspendiert sind und gemäß der Energieverteilung in der auf sie treffenden gegenstandsmodifizierten Ultra scha 11-VJe llenfront umgeordnet werden. Wird die Detektorzelle rait Licht bestrahlt, so ergibt die Orientierung der Partikel ein optisches Bild des Gegenstands. Da die visuelle Anzeige nur von der Intensität der verschiedenen Teile des die Pohlman-Zelle treffenden Ultraschallstrahls abhängt, erfolgt keine vollständige Umwandlung der gegenstandsmodifizierten Ultraschall-Wellenfront in eine Lichtstrahlungs-Wellenfront.

Die Technik der Ultraschall-Holographie vermittelt eine vollständigere Umwandlung, indem sowohl die Phasen- als auch die Intensitätsverteilung innerhalb der gegenstandsmodifizierten Ultraschallenergie in eine Lichtfront umgewandelt werden. Dabei wird ein dreidimensionales optisches Bild des Gegenstands geformt, wie es von dem Ultraschall getroffen oder "gesehen" wird, und dieses Bild läßt sich von dem Betrachter auf öede beliebige zu beobachtende Ebene des Gegenstands fokussieren. Die Informationen, aus denen eine derartige dreidimensionale Rekonstruktion ηöelich ist, werden dadurch erhalten, daß die Phase der gegenstandsmodifizierten Strahlung mit einem Ultra-

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schall-Bezugsstrahl verglichen wird, wobei der Bezugsstrahl mit dem den Gegenstand "beleuchtenden" Strahl (Objektstrahl) kohärent ist. In einer Ausführungsform geschieht dies dadurch, daß ein Ultraεcha11-Bezugsstrahl mit dem Objektstrahl an einem Detektor mit einer Flüssig/Luft-Grenzfläche zur Interferenz gebracht wird und ein stehendes V/ellenmuster erzeugt, das auftreffendes Licht in bildtragende Beugungsgruppen zerlegt, die ihrerseits ein dreidimensionales Bild des Gegenstands fcrmen; Die Grundsätze der Ultraschallholographie in dieser speziellen Ausführungsform sind in der am 3. August 1966 hinterlegten U.S.A.-Patentanmeldung Nr. 569,914 beschrieben. Verbesserungen dieser Technik sind in der U.S.-Patentschrift 3,585,847 dargelegt.

Die oben erwähnte Pohlman-Zelle ist in vielen Fällen zweckmäßig, hat jedoch In anderen Fällen einen Nachteil. So v/ird ein Bild nur langsam geformt, so daß die RMman-Zelle zur Umwandlung sieh bewegender Ultraschall-Gegenstandsfelder unzweckmäßig ist. Außerdem ist die Pohlman-Zelle mechanisch instabil, da die Partikel die Neigung haben, sich innerhalb der eingeschlossenen Flüssigkeit zu setzen. Die Flüssig/Luft-Grenzfläche ist als Detektor in einem direkten Abbildungssystem wegen der sehr stark nicht-linearen Umwandlung des Ultraschalls ins Optische von geringem Nutzen. Die Flüssig/ Luft-Grenzfläche bildet dagegen einen außerordentlich zufriedenstellenden Detektor in der holographischen Echtzeit-Abbildung guter Qualität; da sie aber mechanisch instabil ist, beschränkt sich ihre Verwendung auf Versuchs- und Laboreinrichtungen, v/o der Detektor horizontal und sehr ruhig gehalten werden kann. Außerdem ist die Flüfisig/Luft-Grenzflache für große Wellenlängen über 1 mm nicht gut.

In anderen bekannten Detektorsystemen wird der gegenstandsmodifizierte Ultraschall mittels ein oder mehrerer Ultraschallwandler als Detektoren in elektrische Signale umgewandelt, wobei als weiterer Schritt die elektrischen Signale in ein

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sichtbares Bild umgewandelt werden, um so die Umwandlung Ultraschall in Licht zu bewirken. Ein derartiges Gerät bildet eine Ultraschall-Kamera die eine Wandlertafel oder eine Vielzahl einzelner Wandler, gewöhnlich einen piezoelektrischen Kristall, zur Aufnahme eines Ultraschall-Strahlungsfeldes ιώ-faßt. Der Wandler wird ähnlich wie bei einer Fernsehkamera von einem Elektronenstrahl getastet, um seine Ladung abzulesen. Zur Sichtbarmachung einer optischen 'wiedergabe der auf den Wandler treffenden Ultraschall-Wellenfront kann dann ein Fernseh-Monitor verwendet werden. Wird eine derartige Vorrichtung in einem direkten Abbildungssystem verwendet, so erscheint auf dem Fernseh-Monitor direkt ein Bild des Gegenstands. Wird die Vorrichtung als Holograaa-Detektor eingesetzt, so v/ird auf dem Fernsehmonitor ein Interferenznuster dargestellt, das fotographiert wird, um ein permanentes Hologram:: zu erzeugen. Dieses Hologramm kann später beleuchtet v/erden, um bildtragende Beugungsstrahlen zur Sichtbarmachung eines dreidimensionalen Bildes des Gegenstands zu erzeugen. Ultraschall-Kameras sind in dem Aufsatz mit dem Titel "Ultrasonic Image Camera» in der Zeitschrift " Engineer", 207, 348 (27. Februar 1959) sowie in verschiedenen Ausführungsformen unter anderem in den U.S.-Patentschriften 2,899,580 und 3,213,675 beschrieben. Ein derartiger Detektor vermittelt zwar eine rasche Abtastung eines Bereichs, ist jedoch wegen seiner hohen'Kosten und seiner Empfindlichkeit sowie aufgrund seines relativ geringen Auflösungsvermögens von Nachteil, weshalb die Ultraschall-Kamera als Detektor in der Holographie gewöhnlich unzweckmäßig ist. Außerdem ist der Auffangwinkel der Ultraschall-Energie bezüglich des piezoelektrischen Kristalls begrenzt, und die Notwendigkeit eines Vakuums an der Innenseite der Kristallfläche beschränkt die praktische Größe der Abtostfläche, so daß sich die Ultraschall-Kamera auf die Erzeugung kleiner Bilder und die Anwendung geringer Wellenlängen beschränkt.

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Eine weitere Technik, gegenstandsmodifizierte Ultraschall-Energie zunächst durch Umwandlung in elektrische Signale zu ermitteln, besteht darin, eine Gruppe von sehr kleinen Detektoren über eine Oberfläche anzuordnen, die von einem gegenstandsmodifizierten Strahl durchsetzt wird. In'der U.S.A.-Patentschrift 2,453,502 ist eine derartige Technik zur Direkt-Abbildung erläutert, wobei die Wandlergruppe mit Hilfe von Drehschaltern abge.tastet wird und auf einem Oszilloskop mit synchroner Elektronenstrahltastung ein Bild geformt wird. Eine Wandlergruppe zur Ultraschall-Holographie ist in der U.S.A.-Patentschrift 3,400,363 beschrieben, wonach jeder kleine Detektor in der Ultraschall-Gruppe zur Erzeugung eines Hologramms eine punktförmige Lichtquelle einer Leuchtanordnung beaufschlagt. Bei einem derartigen Ultraschall-Holographieverfahren läßt sich die erforderliche Phaseninformation dadurch erzielen, daß die Phase der gegenstandsmodifizierten Ultraschallwelle an jedem einzelnen Detektor mit der Phase eines geeigneten elektrischen Bezugssignals verglichen wird, wobei dieses Signal .die gleiche Frequenz hat, wie' .sie zur Erzeugung der auf den Gegenstand treffenden Ultraschallwelle verwendet wird. Eine Gruppe kleiner Wandler ist in vielen Fällen zweckmäßig, hat -jedoch den Nachteil, daß sehr viele Wandler sehr dicht nebeneinander angeordnet werden müssen, wenn ein hohes Auflösungsvermögen gefordert wird; unter Umständen sind für eine einfache Ultraschall-Direktabbild'ungs- oder Holographievorrichtung mit einer Detektorfläche brauchbarer Größe Tausende derartiger Wandler erforderlich.

Eine weitere bekannte Technik der Direktabbildung besteht darin, daß eine linienförmige Anordnung von punktförmigen Detektoren verwendet und der abbildende Reflektor so beleuchtet wird, daß ein Bild des Gegenstands über die von kleinen Wandlern gebildete Linie bewegt wird. Diese Technik ist in der U.S.A.-Patentschrift 3,067,281 beschrieben. Das Detektorsystem weist jedoch mechanische Probleme in der repetitiven Bildabtastung auf.

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Eine frühere Version zur direkten Abbildung gegenstandsmodifizierter Ultraschallenergie bestand darin, eine mit Öffnungen versehene Scheibe vor einem einzigen, sich über die gesamte Detektorfläche erstreckenden V/andler abzutasten. Dabei trat jeweils nur ein Teil der Bildenergie durch eine Öffnung der Scheibe und traf den V/andler in einem gegebenen Moment. Diese Technik ist in der U.S.A.-Patentschrift 2,VJ-,125 beschrieben. Ein in gewisser V,^reise ähnliches Abtastsystem für Mikrowellen zur visuellen Umwandlung ist in der U.S,A.Patentschrift 2,711,440 dargelegt. Die U.S.-Patentschrift 2,028,475 befaßt sich ferner mit einem Fernsehsystem, das mit einer Abtastung durch eine mit öffnungen versehene Scheibe arbeitet. Bei dieser Technik besteht ein Problem in dem geringen Bild-Auflösungsvermögen.

Als Alternative zu der gleichzeitigen Ermittlung von gegenstandsmodifizierter Strahlung über die gesamte Oberfläche bei der Holographie ist eine Technik bekannt, bei der ein im wesentlichen punktförmlger Wandler einen begrenzten Oberflächenbereich tastet. Gemäß dem Tastmuster kann dann das Ultraschallfeld im Optischen rekonstruiert werden. Diese Technik ist im einzelnen von Preston und Kreutzer in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 10 (1967), Nr. 5, Seiten 150 bis 152 erläutert und ist in der U.S.A.-Patentschrift 3,410,363 verwendet. In der U.S.A.-Patentschrift 3,640,598 ist ferner eine Technik veröffentlicht, bei der eine im wesentlichen punktförmige Strahlungsquelle einen Oberflächenbereich relativ zu dem Gegenstand abtastet, während ein im wesentlichen punktförmiger Empfänger relativ zu dem Gegenstand fest bleibt, wobei die gleichen Ergebnisse erzielt v/erden wie in dem Fall, daß der Empfänger tastet. Eine gleichzeitige Tastung des punktförmigen Empfängers und der punktförmigen Quelle relativ zu dem Gegenstand sowie eine allgemeine Vorrichtung zur Abtastung eines Oberflächenbereichs ist in der U.S.A.-Patentschrift 3,632,183 beschrieben. I_n der

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U.S.A.-Patentschrift 3,989,864 ist ferner eine nicht-holographische geradlinige Abtastung gezeigt. Diese Abtastverfahren und -Vorrichtungen arbeiten mit einer geradlinigen Abtastung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung über den gewünschten Oberflächenbereich (geradlinige Abtastung). Eine derartige Technik benötigt jedoch eine komplizierte mechanische Ausrüstung, die in der Lage ist. die Beieuchtungsquelle cder den Empfänger oder beide Einheiten in beiden Richtungen rasch zu bewegen.

Ein hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Abtasten eines Bereiches mit einer geringeren Anzahl von punktförmigen Strahlungsempfängern unter Verwendung eines einfachen Mechanismus zu schaffen. Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, um eine nicht-sichtbare gegenstandsmodifizierte Strahlungs-Wellenfront mit hoher.Auflösung und hoher Geschwindigkeit ins Optische umzuwandeln.

Aufgabe de'r Erfindung ist es ferner, eine Abtastvorrichtung zur Verwendung in einem tragbaren Ultraschall-Direktabbildungsgerät zu schaffen. Zur Erfindung gehört es ferner, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Strahlung mit hoher mechanischer Stabilität vorzusehen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung von Ultraschall-Strahlung zu schaffen, das über einen breiten Frequenzbereich anwendbar ist.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens gelöst, bei dem ein oder mehrere in wesentlichen punktförmige Wandler (Empfänger) längs bogenförmiger Bahnen tasten. Ein einzelner punktförmiger Wandler ist an einer konstant rotierenden Scheibe befestigt. Um einen zweidimensionalen Oberflächenbereich abzutasten, wird eine Relativbewegung zwischen der Achce der rotierenden Scheibe und der

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Gegenstandsszene vorgenommen. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise parallel oder senkrecht zur Drehachse der Scheite. Der Vorteil einer derartigen Abtastung im Vergleich zu einer geradlinigen Abtastung besteht darin, daß die rotierende Scheibe nur längs einer Richtung translatorisch bewegt zu werden braucht, un mit einem einzelnen punktförnigen Wandler eine zweidimensionale Fläche abzutasten. Der Antriebsmechanismus wird dadurch einfacher als er für einen Empfänger zum Abtasten einer zweidir.ensionalen Fläche in einer Folge von geraden Linien erforderlich ist. Außerdem ist eine kreisförmige Abtastung schneller als eine geradlinige.

Zur Direktabbildung tastet der Wandler ein Ultraschallbild des Gegenstands und kann elektrisch mit einer punktförmigen Lichtquelle cder einer Kathodenstrahlröhre verbunden sein, die synchron zu dem punktförmigen Empfänger bewegt wird und dadurch ein optisches Bild des Gegenstands erzeugt. Zur holographischen Abbildung wird ein elektrisches Signal, das mit der den Gegenstand beleuchtenden Strahlungsquelle kohärent ist, mit dem elektrischen Signal von dem Empfänger gemischt, um die holographischen Informationen des Gegenstands der tastenden punktförmigen Lichtquelle bzw. dem Oszilloskop zuzuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden eine Vielzahl von Wandlern an einer konstant rotierenden Scheibe mit konstantem Radius und gleichmäßig über dem Umfang verteilt angeordnet. Die Gesamtzahl der erforderlichen Wandler bildet dabei immer noch einen kleinen Prozentsatz der Wandlerzahl, die erforderlich ist, um mit einer statischen Wandleranordnung eine Fläche mit zu der getasteten Fläche äquivalenten Größe zu decken. Der Vorteil der Verwendung einer Vielzahl von Wandlern besteht darin, daß sich die Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung in Axialrichtung gegenüber dem Fall mit einem einzelnen Wandler um einen Faktor cr-

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höhen läßt, der gleich der Anzahl der Empfänger ist, ohne die Rasterdichte zu vermindern. Die Zeit, ,die erforderlich ist,um einen gegebenen Oberflächenbereich durch einen gegenstandsmodifizierten Strahl zu tasten, vermindert eich dabei um den gleichen Faktor. Alternativ kann die Drehzahl der Scheibe gegenüber der Abtastung mit einem einzelnen Wandler um einen Faktor vermindert werden, der gleich ist der Anzahl der am Umfang der Scheibe angeordneten Wandler, während die axiale Translationsgeschwindigkeit bei gleicher Rasterdichte über einen gegebenen Abtastbereich innerhalb der gleichen Zeit beibehalten wird. In einem flüssigen Ultraschall-Übertragungsmedium ist es erwünscht, eine verminderte Drehzahl zu erhalten, um die Turbulenz und Verzerrung der Ultraschallwelle gering zu halten.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen einzelnen oder mehrere punktförnige Empf^'nger an ei^er Scheibe gleitend zu montieren, so daß dann, wenn die Scheibe mit gleichförmiger Drehzahl rotiert, der Empfänger bzw. die Empfänger sich radial über die Scheibe bewegen. Der Vorteil einer derartigen kreisförmigen Abtastung besteht darin, daß die rotierende Scheibe selbst nicht bewegt zu werden braucht, um einen zweidimensionalen Oberflächenbereich relativ zu einem Gegenstand abzutasten. Eine bevorzugte Ausführungsform eines derartigen rotierenden Abtasters umfaßt eine Reihe von punktförmigen Empfängern, die längs einer Radiallinie einer rotierenden Scheibe mit gleichen Abständen montiert sind, wobei Einrichtungen vorhanden sind, um die Empfängerreihe während einer Anzahl von Umdrehungen der Scheibe von der Drehachse um ein Stück nach außen zu bewegen, das gleich dem Abstand zwischen den Empfängern ist. Die für diese Bewegung erforderliche Zeitspanne, ausgedrückt als Anzahl von Scheibenumdrehungen, bestimmt die Dichte der Rasterlinien (die Auflösung). Für holographische Abtastung ist eine hohe Auflösung erforderlich, während für Direktabbiidung ge-

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nerell eine geringere Auflösung zulässig ist.

In einem bevorzugten Direktabbildungs-Abtastsystem ist eine Reihe von Empfängern längs einer Radiallinie einer rotierenden Scheibe angeordnet, wobei genügend empfangende Wandler vorhanden sind, um sie mit einem gewünschten Kindest-Auflösungsvermögen des Abbildungsystems entsprechenden gleichmäßigen Abständen anzuordnen, wobei jedoch immer noch ein geringer Prozentsatz der für eine zweidimensional Anordnung erforderlichen Anzahl von punktförmigen Empfängern benötigt wird. Bei einer einzelnen Umdrehung der Scheibe wird ohne erforderliche axiale Translation ein definierter Abtactbereich getastet, der so groß ist wie die Scheibe. Die Wandleranordnung kann dabei so konstruiert sein, daß sie sich in der oben beschriebenen Art und Weise radial bewegt, falls größere Auflösung gewünscht wird. Ein derartiger Abtaster läßt sich bequemerweise in einem Unterwasser-Ultraschallsichtgerät in Verbindung mit einer Ultraschall-Linse variabler Brennlärge und einem Oszilloskop zur Darstellung des Bildes verwenden.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 in einem Blockschaltbild die wesentlichen Elemente eines Systems zur Erzeugung eines Hologramms von einem Gegenstand, wobei das System mit einer einen Strahlungsempfänger tragenden rotierenden Scheibe arbeitet;

Fig. 2 eine von der Ausführungsform nach Fig. 1 verschiedene Orientierung der Empfänger-Tastscheibe;

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Fig. 3 ein Verfahren, bei dem die Tastscheibe nach Fig. 2 eine einen Oberflächenbereich abtastende punktförmige Strahlungsquelle trägt;

Fig. h die Verwendung der Tastscheibe nach Fig. 2, an der eine Quelle und ein Empfänger zur gleichzeitigen lastbewegung befestigt sind;

Fig. 5 die Tastscheibe nach Fig. 1, die so modifiziert ist, daß sie eine Vielzahl über den Umfang der Scheibe verteilt angeordneten S trahlungs emp fängern enthält;

Fig. 6 die Tastscheibe nach Fig. 5, bei der zusätzliche Empfänger über den Umfang der Scheibe angeordnet sind;

Fig. 7 ein Verfahren zur Rekonstruktion dreidimen- sionaler Bilder eines Gegenstands aus einem Hologramm, das nach einem der Verfahren gemäß Fig. 1 bis 6 erzeugt wurde;

Fig. 8 die Empfänger-Tastscheibe der Fig. 5 in Anwendung auf ein Direkt-Abbildungssystem;

Fig. 9 eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Tastscheibe zur Verwendung bei der Direktabbildung, wobei längs einer Radiallinie der Scheibe eine Vielzahl von punktförmigen Empfängern angeordnet ist;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Direktabbildungs-Sichtgeräts für Unterwasserbetrieb ;

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FIg. 11 und 11A einen bevorzugten Aufbau der in der

Ausfuhrungsform nach Fig. 10 benützten Ultraschall-Linse;

Fig. 12 eine bevorzugte Ausführungsform des in dem

Gerät nach Fig. 10 verwendeten Zuführzylinders für das Strömungsmittel der Linse;

Fig. 13 eine einheitliche, eine Tastscheibe und eine Linse umfassende Anordnung, die in alternativer Ausführungsform in dem Unterv/asser-Sichtgerät der Fig. 10 verwendet werden kann; und

Fig. 14 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Benützung· eines in der Hand zu führenden» in sich abgeschlossenen Unterwasser-Sichtgeräts, das sämtliche für das Sichtgerät nach Fig. 10 gezeigten Elemente enthält.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines rotierenden Abtastgeräts mit einem einzelnen Wandler in Verbindung mit dem zugehörigen Steuermechanismus und einer elektronischen Signalverarbeitung zur Erzeugung eines Hologramms eines Gegenstands gezeigt. Dabei wird ein Gegenstand 11 aus einer über einen Oszillator 15 und einen geeigneten Verstärker angesteuerten Quelle 13 mit Ultraschallenergie bestrahlt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Gegenstand dadurch untersucht, daß die Ultraschallenergie von dem Gegenstand reflektiert und die gegenstandsmodifizierte Strahlung durch einen Ultraschallempfänger 17 gemessen wird. In gewissen Fällen kann die Ultraschallenergie aus der Quelle auch durch den Gegenstand hindurchtreten und dann als gegenstandsmodifizierte Strahlung auf den Ultraschallwandler treffen.

Von dem Empfänger 17 wird eine Querschnittsfläche der von dem

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Gegenstand reflektierten gegenstandsmodifizierten Strahlung abgetastet. Diese Querschnittsfläche bildet eine ebene HoIogrammblende,. von der eine Projektion am Boden eines Flüssigkeitsbehälters 19 gezeichnet wird. Der^rEmpfänger 17 ist an einer Scheibe 21 befestigt, die mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω rotiert und in einer einzelnen Richtung senkrecht zur Drehachse translatorisch bewegt v/ird. Auf diese Art und Weise läßt sich mit dem Empfänger 17 eine zweidimensional^ Hologrammblende abtasten, indem die Drehachse der Scheibe in nur einer Richtung relativ zu dem zu untersuchenden Gegenstand bewegt wird. Bekanntlich bestimmen die Größe der Kologrammblende und ihre Lage relativ zu dem Gegenstand 11 die dreidimensionale Erscheinung des Gegenstands, die man erzielt, wenn aus dem nach diesem Verfahren hergestellten Hologramm ein Bild optisch rekonstruiert wird.

Der Empfänger umfaßt einen auf· Ultraschallepergie ansprechenden geeigneten Wandler, der ein zu dem auftreffenden Ultraschallsignal proportionales elektrisches Signal erzeugt, Der Wandler sollte im wesentlichen punktförmig sein; d.h. die Größe des auf Ultraschallenergie ansprechenden Wandlers in dem Empfänger bestimmt sich nach der. gewünschten Auflösung. Zur holographischen Abbildung muß der Wandler, klein genug sein, um sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationeh aufzunehmen,-Das von dem Empfänger erzeugte elektrische Signal wird von der rotierenden. Scheibe durch Schleifringe abgenommen und dann über geeignete elektrische Schaltkreise, die die erforderlichen Verstärker enthalten, einer abgeglichenen Kischstufe 23 zugeführt, in der ein elektrisches Signal, das mit der den Gegenstand bestrahlenden Ultraschallenergie kohärent ist, zugesetzt wird, um ein elektronisches Ausgangssignal 25 zu erzeugen, das ein elektrisches Analogon eines Hologramms des Gegenstands bildet. Für die füschstufe 23 wird ein phasenempfindlicher Detektor bevorzugt, wobei sich ein Produkt-Detektor als in vieler Plinsicht vorteilhaft für die vorliegende Anwendung' herausgestellt hat. Die Funktion der abgeglichenen IIischrtufe 2 J

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besteht darin, Phase und Intensität der von dem Empfänger gemessenen Ultraschallstrahlung mit einem kohärenten elektrischen Signal zu vergleichen. Dies ist äquivalent den nichttastenden Ultraschall-Kolographiesystemen, bei denen ein Ultraschall-Bezugsstrahl mit dem gegenstandsmodifizierten Strahl an der Hologrammblende vor der Messung gemischt wird. Um ein auBerachsdges Hologramm zu erzeugen, mui3 der Gegenstand, wie in Fig. 1 gezeigt, außerhalb einer orthogonalen Projektion der Holοgrammblende liegen. Alternativ kann dann, wenn der Gegenstand innerhalb einer senkrechten Projektion der getasteten Hologrammblende liegt, ein Phasenschiebernetzwerk 27 verwendet werden, um das der Mischstufe 23 zugeführte elektrische Bezugssignal einem außerachsigen Bezugsstrahl äquivalent zu machen. Eine derartige Signalverarbeitungstechnik in der Rundfunkwellen - Holographie ist in der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE», ,April 19δ7, Seiten 570 bis 571 beschrieben.

Das der holographischen Information analoge elektrische Ausgangssignal 25 wird ferner verarbeitet und dann über einen Schalter 29 entweder einem Oszilloskop oder einer tastenden punktförmigen Lichtquelle zugeführt. Bei Verbindung mit dem Oszilloskop wird das elektrische Analogon der holographischen Information derart angelegt, daß die Intensität des tastenden Elektronenstrahls gesteuert wird. Eingangssignale für das Oszilloskop zur Steuerung der Elektronenstrahltastung werden über geeignete Potentiometer erzeugt, die mit dem Empfänger-Tastinechanismus verbunden sind und der Empfängerstellung proportionale elektrische Signale abgeben. Auf den Oszilloskop wird ein Hologramm des Gegenstands 11 sichtbar gemacht, das von einer geeigneten Kamera fotographiert wird. Nach dem Entwickeln des Films läßt sich, wie im folgenden erörtert, ein Bild des Gegenstands 11 im Optischen rekonstruieren.

Der Schalter 29 kann alternativ auch über entsprechende Schleifringe mit einer punktförmigen Lichtquelle 31 verbunden werden,

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die an einer synchron zu der Empfänger-Tastscheibe 21 rotierenden Scheibe 33 befestigt ist. Die holographische Information moduliert die Intensität der Lichtquelle 31, wobei eine geeignete Kamera diese IntensitätsSchwankungen auf einen Film aufzeichnen kann, um ein Hologramm zu erzeugen, von dein sich wiederum, vie im folgenden erörtert, ein Bild im Optischen rekonstruieren läßt.

In dem in Fig. 1 gezeigten Tastsj^stem wird davon ausgegangen, daß die punktförmige Lichtquelle 31 nur während eines Teils ihrer kreisförmigen Bahn beim Passieren der definierten Hologrammblende aufgezeichnet werden soll. Der Empfänger 17 tastet ein bogenförmiges Rastermuster in einer Ebene relativ zu dem Gegenstand 11. Der bogenförmige Raster hat den Vorteil, daß während der Bildrekonstruktion hohe Ordnungszahlen des gebeugten Lichts, wie sie normalerweise bei der Rekonstruktion eines mit einem geradlinigen Raster erzeugten Hologramms vorhanden sind, reduziert werden.

Wie in der Ultraschall-Holographie bekannt, wird Ultraschallenergie leicht reflektiert, wenn sie durch Luft auf feste Gegenstände gerichtet wird; daher wird generell ein in dem Behälter 19 enthaltenes flüssiges Ultraschall-Übertragungsmedium verwendet, in das zur entsprechenden Ultraschallenergie-Kopplung Gegenstand und Empfänger eintauchen. Für die meisten Fälle der Ultraschallprüfung wird allgemein Wasöer verwendet. Da sich der Empfänger in der Flüssigkeit dreht, muß die Drehzahl auf einen ^T.iert begrenzt sein, der kein so starkes Rühren der Flüssigkeit verursacht, daß die gegenstandsmodifizierte Ultraschallstrahlung vor Erreichen des Empfängers verzerrt wird.

Statt einer Versetzung der sich drehenden, die Strahlung empfangenden Scheibe in einer zur Achse senkrechten Richtung kann dfer Empfänger an der Scheibe auch so orientiert sein, daß die

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Scheibe in einer Richtung parallel zu ihrer Drehachse translatorisch bewegt wird. Eine derartige Variante ist in Fig. 2 gezeigt, wobei eine Strahlungsquelle 35 einen Gegenstand 37 bestrahlt, von dem aus ein gegenstandsmodifizierter Strahl 39 auf eine zu tastende Hologrammblende 41 trifft. Die definierte Hologranmblende 41 wird von einen an-einer rotierenden Scheibe 43 angebrachten punktförnigen Empfänger 45 getastet, der ein elektrisches Signal erzeugt; das elektrische Signal wird in der gleichen Weise .wie in der Schaltung nach Fig. 1 verarbeitet. Falls es erwünscht ist, ein Hologramm durch Abtasten eines zu fotografierenden Bereichs mit einer Lichtquelle zu erzeugen, wird auf der die Scheibe 43 tragenden Antriebswelle 51 eine weitere Scheibe 47 befestigt, die eine punktförmige Lichtquelle 49 trägt. Die hier getastete Fläche der Hologrammblende 41 sowie die Fläche 53, auf der das Hologramm visuell erzeugt wird, sind gekrümmt. Um Verzerrungen infolge der Verwendung einer gekrümmten Hologrammblende zu vermeiden, sollte der Empfänger 45 nur über einen kleinen Teil des gesamten Umfangs der Scheibe 43 arbeiten, so daß die Fläche 41 sich einer ebenen Fläche nähert. Alternativ kann das auf dem Film aufgezeichnete Hologramm selbst gekrümmt sein und von diesem gekrümmten Hologramm ein Bild rekonstruiert werden.

Wie in der oben erwähnten U.S.A.-Patentschrift 3,640,598 im einzelnen beschrieben, ist der tastenden Bewegung des Empfängers eine Abtastung mit der Quelle äquivalent. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind daher in gleicher Welse auf eine Abtastung mit der Quelle anwendbar, wobei in Figur 3 eine Ausführungsform dargestellt ist. Gemäß Fig. 3 ist an einer Scheibe 57 eine sich mit dieser drehende punktförmige Strahlungsquelle 55 angebracht. Die Scheibe wird parallel zu ihrer Drehachse translatorisch bewegt, so daß die Quelle einen Oberflächenbereich einer Hologrammblende 59 tastet. Die Strahlungsquelle 55 wird von einer geeigneten oszillierenden Energiequelle angesteuert und ist über Gatter so geschaltet, daß feie nur während der Überquerung der definierten Holojranm-

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blende 59 Strahlung emittiert.-Die so emittierte Strahlung wird von einen Gegenstand 61 modifiziert, und"der gegenstandsmodifizierte Strahl 63 wird von einem im wesentlichen punktförmigen Strahlungsempfänger 65 aufgenommen« Das elektrische Aucgangssignal des Empfängers '65 wird wiederum in ähnlicher ¥eise wie in Fig. 1 weiterverarbeiten .um ein Oszilloskop oder eine punktförraige Lichtquelle 67 auszusteuern, wobei die Lichtquelle 67 an· einer Scheibe 69 befestigt ist, die synchron zu der die Quelle tragenden Scheibe 57 angetrieben wird.

Es soll" vermerkt werden,' daß dl® Holographie mit tastender Quelle gewisse Nachteile insofern aufweist;, als es schwierig ist, genügend Ultraschallenergi® zur richtigen Abbildung mit einer Quelle kleiner Fläche zn erzeugen, und es außerdem erforderlich ist, große elektrische Energiemengen, von' einem Oszillator auf die Quelle zu übertragen. Trotzdem gibt es gewisse Fälle, in denen eine Abtastung mit der Quelle gegenüber der Empfängertastung bevorzugt wlrd_g'beispielsweise wenn es schwierig ist, einen Emp£Mng@rtastungs-Mechanismus anzuordnen, oder wenn die gewünschte Tastblende sich in einem Bereich befindet, in dem die Umgebung die Arbeitsweise des Empfängers beeinträchtigen würde. Außerdem ist die Warschein« lichkeit, daß die in der Ultraschall-Übertragungsflüssigkelt von dem Abtastmechanismus bewirkten Störungen das empfangene Ultraschallsignal beeinflussen, geringer.

Eine weitere Variante für bestimmte Tastvorgänge besteht darin, sowohl den Empfänger als auch die Quelle relativ zu dem Gegenstand in drehende Tastbewegungen zu versetzen, wie es In der U.S.A.-Patentschrift 3,632,183 sowie von den Erfindern in einem Aufsatz "Holography by Scanning" in der Zeitschrift "Journal of the Optical Society of America", Band 59, Nr. 1 (Januar .1969) Seiten 1 bis 6 beschrieben ist. In FIg. 4 Ist ein einschränkender Fall der gleichzeitigen Tastung nit Quells

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und Empfänger mittels kreisrunder Scheiben gezeigt, wobei eine Quelle 71 und ein Empfänger 73 an einer gemeinsamen Scheibe 75 befestigt sind und im wesentlichen die gleiche Hologrenmblende 77 relativ zu einem Gegenstand. 79 tasten. Eine derartige gekoppelte Tastung mit Quelle und Empfänger erzeugt ein Hologramm, mit·dem sich ein Bild des Gegenstands rekonstruieren läßt, das vergrrjßert und näher an den HoIogranri erscheint und gegenüber dem Bild, wie es nach Fig. 2 und 3 erzeugt wird, erhöhte Auflösung besitzt.

In der obigen Beschreibung sind verschiedene Ausführungsformen einer rotierenden Abtastung zur Holographie erläutert worden, v/obei an einer rotierenden Scheibe eine einzelne Quelle und/oder ein einzelner Empfänger befestigt wird. Wie ersichtlich, ist die Zeitspanne zwiscloen dem Zeitpunkt, zu dem eine Quelle oder ein Empfänger eine Seite des Bereichs einer getasteten Hologrammblende verläßt, und demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Quelle oder der Empfänger den getasteten Bereich an der entgegengesetzten Seite v/ährend jeder einzelnen Umdrehung wieder betritt, verschwesdet, soweit es um die Gewinnung holographischer Informationen des betreffenden Gegenstands geht. Um den Wirkungsgrad in dieser Hinsicht zu verbessern, ist es möglich, eine Vielzahl von Quellen oder Empfängern am Umfang der Scheibe anzubrinjen. In Fig. 5 ist eine solche tastende Scheibe 81 gezeigt, «n deren Rand eine Vielzahl von punktförmigen Empfängern angeordnet sind. Ein Gegenstand 83 wird von einer geeigneten Ultra schallquelle 85 " bestrahlt und erzeugt eine gegenstandsmodtfizierte Strahlung 87, die eine definierte Hologrammblende 89 zur· Messung passiert. Wie bekannt, wird die Größe der HologramntLende 89 an ihrer Stelle relativ zu dem Gegenstand 83 so gewählt, daß sich nach Rekonstruktion des Hologramms mit Licht in einem Bild des Gegenstands ein gewünschtes Blickfeld dieses Gegenstands ergibt. Die Hologrammblende 89 hat im vorliegenden Fall eine mit y bezeichnete Dimension, die von den Xmpfängern abgetastet

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wird. In Fig, 5 ist ein punktförmiger Empfänger 91 innerhalb der Hologramrablende gezeigt. In einer Ausf uhrungsform können die Empfänger über den Rand der Scheibe 81 mit einem gegenseitigen Abstand y verteilt sein, so daß dann, wenn ein Empfänger, etwa der Empfänger 91, aus der Hologramrablenöe 89 herausgedreht wird, ein weiterer Empfänger, etwa der Empfänger 93,den Tastvorgang fortsetzt und eine weitere Linie der Hologrammblende tastet. Um das Hologramm aufzuzeichnen, kann jeder Empfänger über eine geeignete elektronische Schaltung ähnlich der anhand von Fig. 1 beschriebenen Schaltung mit einer eigenen punktförmigen Lichtquelle verbunden sein. Beispielsweise würde der Empfänger 91 eine punktförmige Lichtquelle 95 beaufschlagen, während der Empfänger 93 über eine unabhängige elektronische Signalverarbeitungs-EjLnrichtung eine punktförmige Lichtquelle 97 aussteuern würde. Dabei können in den elektronischen Schaltungen Einrichtungen vorgesehen sein, um die betreffende Lichtquelle nur dann auszusteuern, wenn sich der zugehörige punktförmige Empfänger innerhalb der Hologrammblende 89 befindet, um so ein Hologramm 99 mit Licht zu erzeugen. In alternativer Ausführung könnte zwischen die Kamera und die tastenden punktförmigen Lichtquellen eine Faske mit einer Öffnung von der Größe des Hologramms 99 eingebracht werden, die Licht von der jeweiligen punktförmigen Lichtquelle nur dann zur Kamera durchlassen würde, wenn sich die Lichtquelle in dem Hologrammbereich befindet. Eine weitere Alternative besteht darin, die von den einzelnen punktförmigen Empfängern aufgenommene holographische Information auf einem Oszilloskop darzustellen, wobei ein elektronisches Schaltnetzwerk erforderlich wäre, um'den Steuereingang des Oszilloskopen für die Elektronenstrahl-Intensität nur dann mit dem jeweiligen punktförmigen Empfänger zu verbinden, wenn dieser die Hologrammblende 89 tastet.

Wie ersichtlich, hat die in Fig. 5.dargestellte Anordnung nit mehreren Empfängern gegenüber einem System mit nur einem ein-

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zelnen Empfänger den Vorteil, daß eine gegebene Hologrammblende mit gleicher Auflösung (d.h. mit dem gleichen Abstand zwischen den Tastlinien) getastet werden kann und gleichzeitig die Drehzahl wesentlich kleiner sein kann, da die Geschwindigkeit' der Translationsbewegung der Tastscheibe entsprechend der Anzahl der verwendeten Empfänger erhöht v/erden kann. Alternativ kann die Geschwindigkeit der Translation beibehalten und die Drehzahl reduziert v/erden, um eine gegebene Hologrammblende mit gleicher Auflösung wie bei einem System mit einem einzelnen Empfänger zu tasten. Um diesen Vorteil weiter auszubauen, kann ein System verwendet werden, das mit einer noch größeren Anzahl von am Umfang einer Scheibe verteilten Empfängern arbeitet und längs eines Umfangsabschnitts y, der der Breite der gewählten Hologramrablende entspricht, mehr als ein Empfänger vorhanden ist. In Fig. 6 ist ein derartiges System gezeigt, bei dem an einer tastenden Scheibe 101 eine große Anzahl von Empfängern und an einer Scheibe 103 eine entsprechende Anzahl von punktförmigen Lichtquellen angebracht sind. Das System entspricht im übrigen dem System nach Fig. 5 mit Ausnahme der Tatsache, daß dann, wenn für die Aufzeichnung ein Oszilloskop für die Hologrammdarstellung verwendet wird, entweder eine mehrstrahlige Kathodenstrahlröhre oder eine einstrahlige Kathodenstrahlröhre mit einer gewissen elektronischen Abtastung erforderlich ist. Diese Modifikation ist nötig, da in einem gegebenen Augenblick innerhalb der getasteten Hologrammblende mehrere Strahlungsempfänger in Tätigkeit sind.

Nach Erzeugung eines Hologramms gemäß einer der oben beschriebenen Verfahren lassen sich optische Bilder des Gegenstands, wie er von der Ultraschallenergie getroffen wird, nach einem bekannten Verfahren, wie es beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, aus dem Hologramm rekonstruieren. Das Hologramm 105 auf dem entwickelten fotographischen Film wird dabei in einen leicht konvergierenden kohärenten Lichtstrahl 107 gebracht, der von einem geeigneten Laser erzeugt wird; der lladelstrahl

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des Lasers wird in einer Optik 109 auseinandergezogen« Die nullte Ordnung des Lichtstrahls, d.h. das ungebeugte Licht, wird dabei an einem Punkt 111 fokussiert, dessen Lage von der dem beleuchtenden Strahl 107 erteilten Konvergenz abhängt. Auf beiden Seiten dieses Brennpunktes nullter Ordnung entsteht ein optisches Bild des Gegenstands in gebeugten Lichtstrahlen erster Ordnung, und jedes Bild kann betrachtet werden^ indem das Auge in einen der gebeugten Lichtstrahlen gebracht wird. Ein alternatives Verfahren zur Rekonstruktion eines optischen Bildes aus einem Ultraschall-Hologramm ist in der oben erwähnten U.S.A.-Patentanmeldung Nr. 569,914 offenbart,, wobei ein im wesentlichen gebündelter Lichtstrahl das Hologramm beleuchtet und der ein gewünschtes Bild tragende' gebeugte Lichtstrahl erster Ordnung durch Raumfiltertechnik von den anderen Strahl erster Ordnung und von dem Strahl nullter Ordnung getrennt wird. Bei der Raumfiltertechnik werden die Lichtstrahlen der verschiedenen Ordnungszahlen unter Verwendung einer geeigneten Linse fokussiert und die Strahlen der nicht gewünschten Ordnungszahlen blockiert. .

In der obigen Beschreibung sind nur holographische Verfahren zur Prüfung eines Gegenstands erläutert worden. Die bogenförmige Tastung läßt sich generell jedoch auch auf Direkt-Abbildungssysteme anwenden, in denen ein zweidimensionales Bild des Gegenstands, wie er von dem Ultraschall getroffen wird, ohne Erzeugung eines Hologramms direkt optisch betrachtet werden kann. Ein derartiges System ist in Fig. 8 dargestellt. Anders als bei der holographischen Abbildung muß die von dem Gegenstand reflektierte gegenstandsmodifizierte Ultrascha3.1energie 173 auf eine getastete Fläche 175 abgebildet werden, indem etwa eine Ultraschall-Linse 177 hoher Qualität verwendet wird, um direkt ein Bild des Gegenstands zu erhalten. Alternativ kann dann, wenn die Ultraschallenergie den Gegenstand durchsetzt, dieser nahe an der abgetasteten Fläche angeordnet werden; 5.n diesem Fall v/ird ein dem Ultra scha 11-"Schatten" des Gegenstands entsprechendes Bild erhalten. «^Tie

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in der Optik wird die akustische Brennlänge der Ultraschall-Linse 177 so gewählt, daß eine spezielle Ebene des Gegenstands auf die getastete Fläche 175 abgebildet wird. Nur diese Ebene des Gegenstands wird in ein scharf fokussiertes optisches Bild umgewandelt, während es bei Anwendung holographischer Verfahren möglich ist, die Betrachter-Optik auf jede beliebige Ebene innerhalb eines dreidimensionalen optischen Bildes des Gegenstands einzustellen. Die Fläche 175 wird von einer rotierenden Scheibe 179 getastet, an deren Umfang eine Vielzahl von Empfänger-Wandlern angebracht sind. Jeder Wandler sollte dabei zur Erzielung der gewünschten Auflösung im wesentlichen punktförmig, d.h. genügend klein sein. Bei der direkten Abbildung brauchen die "Wandler nur die Amplitude der Ultraschallenergie zu messen. Die Scheibe wird relativ zu dem Gegenstand senkrecht zur Drehachse der Scheibe translatorisch bewegt, um den zweidimensionalen Bereich 175 zu tasten. Die von den Empfangs-Wandlern erzeugten elektrischen Signale werden verarbeitet und einem Oszilloskop zugeführt, auf dem ein sichtbares Bild der speziellen Ebene des Gegenstands dargestellt wird, die von der Ultraschall-Linse 177 auf die getastete Fläche 175 fokussiert v/orden ist. In alternativer Ausführung können die elektrischen Signale dazu dienen, die Intensität punktförmiger Lichtquellen gemäß Fig. 5 oder 6 zu variieren.

Bei der Direktabbildung braucht die Fläche 175 nicht auf Linien abgetastet zu werden, die so nahe beieinander liegen, · wie es für die holographische Abbildung nötig ist. Paher kann die rotierende Scheibe 179 bei der Direktabbildung mit größerer Geschwindigkeit über die getastete.Fläche translatorisch bewegt werden, als es bei der holographischen Abbildung zulässig ist.

Da die erforderliche Auflösung bei der Direktabbildung geringer ist als bei der Holographie, kann die Fläche 175 bequemererweise von einer rotierenden Scheibe mit einer Vielzahl

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von längs einer Radiallinie der Scheibe befestigten Empfängern getastet werden, wodurch es möglich wird, einen gegebenen Flächenbereich ohne translatorische Verschiebung der Scheibe und damit schneller abzutasten. Eine derartige rotierende Scheibe ist in Fig. 9 gezeigt. Statt eine sehr große Anzahl von im wesentlichen punktförmigen Wandlern längs einer Radiallinie der Scheibe 181 anzuordnen, um die gegebenenfalls erwünschte maximale Auflösung eines Ultraschallfeldes mit einer einzelnen Umdrehung der Scheibe zu erzeugen, kann eine geringere Anzahl von punktförmigen Strahlungsempfängern verschiebbar an der Scheibe 181 derart befestigt sein, daß die gesamte Empfängeranordnung während des Tastvorgangs sich längs einer Radiallinie bewegt. Dazu sind sämtliche Empfänger 183 an einer Gleitschiene 185 befestigt, die ihrerseits an der Scheibe 181 längs einer Radiallinie in beiden Richtungen verschiebbar angebracht ist. Bei Rotation der Scheibe 181 dreht sich eine mit einer geraeinsamen Antriebsquelle verbundene Nockenscheibe 187 mit einer Geschwindigkeit, die einen Bruchteil der Drehzahl der Scheibe 181 bildet. Die Nockenscheibe 187 ist so gestaltet, daß sie die Gleitschiene 185 während einer gegebenen Anzahl von Scheibenumdrehungen um einen Weg nach außen schiebt, der gleich dem Abstand zwischen den gleichmäßig angeordneten Wandlern ist, und dann wieder in die in Fig. 9 gezeigte innerste Stellung zurückführt. Ein derartiger Aufbau hat den zusätzlichen Vorteil, daß sich die Auflösung in dem optischen Bild durch Steuerung der relativen Drehzahlen der Scheibe 181 und der Nockenscheibe 187 steuern läßt. So läßt sich beispielsweise eine Untersuchung mit geringer Auflösung, wie sie etwa für Unterwasser-Beobachtungen ausreicht, unter Bewegung der Gleitschiene 185 so lange durchführen, bis ein Gegenstand genauer untersucht v/erden soll. Sodann könnte die Nockenscheibe 187 mit geeigneter Geschwindigkeit in Drehung versetzt werden, um den interessierenden Gegenstand aufzulösen.

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Ein derartiges Tastgerät zur direkten Beobachtung ist in Fig. 10 in Form eines Unterwasser-Betrachtungsgeräts beschrieben» das von einem Boot ins Heer oder in einen Fluß abgesenkt werden kann. Das Gerät ist in einem Gehäuse 109 enthalten und über ein Kabel mit einer an Land oder auf einem Schiff befindlichen Steuerstelle verbunden, wo die erforderlichen elektronischen und Energiezuführungs-Schaltungen zusammen mit einem Oszilloskop 191 zur Anzeige eines Bildes des mit Ultracchallenergie abgetasteten UnterwasSerbereichs angeordnet sind. Das Unterwasser-Betrachtungsgerät umfaßt eine Vielzahl von Ultraschallquellen 193 und 195 zur Bestrahlung des Bereichs, der betrachtet werden soll. Reflexionen von den Gegenständen werden von einer Ultraschall-Linse 197 auf eine Ebene fokussiert, die von den Erapfangswandlern 183 abgetastet wird. Bei der Ultraschall-Linse kann es sich um jeden beliebigen herkömmlichen Typ handeln; bevorzugt wird Jedoch die im folgenden im einzelnen beschriebene Form. Die bevorzugte Linse umfaßt zwei Folien aus dünnem flexiblen Material, zwischen die ein Strömungsmittel mit gegenüber Wasser geeignetem Ultraschall-Brechungsindex eingefüllt ist. Die Brennlänge der Linse 197 läßt sich dadurch einstellen, daß eine Strömungsmittelzuführung 199 vorgesehen ist, mittels der Strömungsmittel zu der Flüssigkeit innerhalb der Linse 197 hinzugefügt oder aus der Linse entnommen wird, um dadurch den Krümmungsradius der beiden dünnen flexiblen äußeren Folien zu ändern. Die FluidumzufUhrung 199 für die Linse 197 kann durch einen geeigneten kleinen Motor betrieben werden, der von einer Stelle oberhalb des Wassers mit Strom versorgt und gesteuert werden kann.

Die Scheibe 188 wird durch einen geeigneten Antriebsmotor mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit gedreht. Diese Bewegung wird über ein geeignetes Untersetzungsgetriebe 201 in einen geeigneten Antrieb der Nockenscheibe 187 umgewandelt, die von einer Stelle oberhalb des Wassers steuerbar ist. Die von einer Vielzahl von punktförmigen Empfängern

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abgeleiteten elektronischen Signale werden von der rotierenden Scheibe über Schleifringe 203 dem über Wasser angeordneten Oszilloskop 191 zugeführt, an dem ein optisches Bild des von den Empfangsv/andlern abgetasteten akustischen Bildes angezeigt wird. In die elektronische Verarbeitung dieser Signale ist eine Tastschaltung eingebaut, die die Möglichkeit bietet, daß das Oszilloskop die verschiedenen punktförmigen Empfänger alternativ tastet und sonit ein Bild auf dem Schirm der Oszilloskop-Kathodenstrahlröhre rekonstruiert wird. Um die Übertragung der Signale von der rotierenden Scheibe auf das Oszilloskop zu vereinfachen, kann es zweckmäßig sein, die von den einzelnen punkt-förmigen Empfängern abgeleiteten Signale im Multiplexbetrieb einem gemeinsamen Träger zu überlagern, um sie zu der über Wasser gelegenen Stelle zu übertragen, v/o die Signale zur Aussteuerung des Oszilloskops deraoduliert werden können. Die erforderlichen Signale für die Tastschaltungen für den Elektronenstrahl des Oszilloskops werden von einem Stellungspotexitiuneter 205 geliefert.

Die Qualität der Ultraschall-Abbildung mit einem System nach Fig. 10 hängt weitgehend von der Qualität der Ultraschall-Linse 197 ab. Eine bevorzugte Bauweise für eine Ultraschall- ■ Linse ist in der U.S.A.-Patentschrift 3,585,847 offenbart und im folgenden anhand von Fig. 11 und 11A erläutert. Gemäß diesen Figuren sind zwei dünne Folien 206 und 207 aus flexiblem synthetischen Polymerfilm über einen inneren Tragring 209 gespannt und über äußere Tragringe 211 und 213 fest an dem Innenring angeklemmt. Der Außenring 211 ist an dem Innenring 209 durch entsprechende Schrauben 215 befestigt, während der Außenring 213 in ähnlicher Weise über Schrauben 217 an dem Innenring 209 befestigt ist_o Der von den Innenring 209 und den dünnen Folien gebildete Hohlraum 219 ist mit einem geeigneten Ultraschall-Brechungs-Strömungsmittel gefüllt, wobei eine Kenge verwendet wird, die die dünnen flexiblen Folien 206 und 207 nach außen biegt und dadurch

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eine doppelt-konvexe Linse mit einer Brennlänge erzeugt, die vom Krümmungsradius der gebogenen Folien 206 und 207 abhängt. Die Folien 206 und 207 sollen dadurch, daß sie vor dem Anklemmen an den Innenring 209 über diesen gespannt und durch Einleitung eines Strömungsmittels in den Hohlraum 219, dessen Volumen größer ist als das des ungefüllten Hohlraums, nach außen gebogen werden, auf eine Spannung gebracht werden, die weit im elastischen Bereich des Materials liegt. Die Höhe der Spannung der Folien ist wichtig, da sie bestimmt, ob die Filme die Flüssigkeitsfüllung zu einer gleichmäßigen kugelförmigen Oberfläche ohne wesentliche Unregelmäßigkeiten und Oberflächendeformationen bilden, die Verzerrungen des von der Linse gebildeten Ultraschallbildes "bewirken.

Eine bevorzugte Flüssigkeit zur Füllung des Hohlraums 219 bildet Trichlortrifluoräthan, das einen akustischen Brechungsindex gegenüber Wasser von 2,07 aufweist und wegen geringer Reflexionsverluste akustisch gut zu Wasser paßt. Die Flüssigkeit kann in den Hohlraum 219 über ein Nadelventil 221 eingeleitet werden, das in eine Öffnung 223 in dem inneren Tragring 209 eingeschraubt ist. Beim Einströmen des Strömungsmittels durch dieses Ventil" in den Hohlraum kann die Luft durch Öffnen eines Entlüftungsventils 225 herausgelassen werden, das in eine Öffnung 227 in dem inneren Tragring 209 eingeschraubt ist. Um geringe Energieverluste in der Linse zu erzielen, sollten die Folien 206 und 207 entweder kleiner als ein Viertel der Ultraschall-Wellenlänge ,in dem Folienmaterial oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge betragen.

Fig. 12 zeigt eine Kolbeneinrichtung, wie sie verwendet v/erden kann, um die Menge des in dem Linsenhohlraum befindlichen Strömungsmittels und dadurch die Brennlänge der Linse zu steuern. Gemäß Fig. 12 wird eine Kammer 229 von einem Gehäuse 231 gebildet, das einen Kolben 233 mit 0-Rinren 235

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und 237 zur Bildes einer geeigneten Dichtung aufweist. Eine in em Ende des Gehäuses 231 eingeschraubte Welle 239 erzeugt eine den Kolben 233 hin- und herbewegende Kraft, um Flüssigkeit aus der Kammer 229 durch eine Öffnung 241 in einem Rohr 243 nach außen zu drücken. Die Kolbenanordnung ist über das Rohr 243 mit dem Nadelventil 221 verbunden, um die Men-.ge des Strömungsmittels innerhalb des Linsenhohlraums 219 zu steuern.

In dem Unterwasser-Betrachtungsgerät nach Fig. 10 muß in dem Gehäuse 189 eine Ultraschall übertragende Flüssigkeit vorhanden sein, um die Ultraschallenergie von der Linse auf die von den Empfängern 183 getastete Ebene ohne größere Verluste zu übertragen. Bei dieser Flüssigkeit könnte es sich um die Flüssigkeit handeln, in der das Unterwasser-Betrachtungsgerät verwendet wird, oder es könnte permanent in dem Wassergehäuse enthalten sein. In alternativer Ausführung könnte eine die Ultraschall-Linse und die Taslscheibe mit der Empfängeranordnung umfassende Untergruppe nach Fig. 13 in einem Unterwasser-Betrachtungsgerät ähnlich dem nach Fig. 10 eingebaut sein. Dabei ist in dem Gehäuse 245 der Untergruppe ein geeignetes LinsenStrömungsmittel vorhanden, über das eine flexible Folie 247 mit der Empfängeranordnung 185 gekoppelt ist, wobei die Empfänger an einem Ende der Untergruppe, wie oben beschrieben, an der Scheibe 181 zur Tastung befestigt sind. Die Strömungsmittel-Zuführung 199 für die Linse ist wie oben einstellbar, um die Menge des Strömungsmittels innerhalb des Gehäuses 295 der Untergruppe, dadurch den Krümmungsradius der Folie 247 und somit die Brennlänge der einflächigen Ultraschall-Linse zu steuern.

Fig. 14 zeigt die Verwendung eines in der Hand zu führenden Ultraschall-Unterwasser-Betrachtungsgeräts 249, das dazu dient, den sichtbaren Bereich eines Tauchers in trübem oder dunklem Wasser auszudehnen. Das Gerät 249 umfaßt sämtliche

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anhand von Fig. 10 beschriebenen Elemente, die in bequemer Weise gepackt sind. In dem Gerät 249 ist auch in den Deckelteil 251 eine Oszilloskop-Kathodenstrahlröhre enthalten, die der Taucher beobachten kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

\Α·) Verfahren zur Gewinnung von Informationen über einen Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlung auf den G_egenstand gerichtet wird, um eine gegenstandsmodifizierte Strahlung zu erzeugen, daß ein in wesentlichen punktförniger Strahlungsempfänger auf einer Kreisbahn um eine Drehachse tastend geführt v/ird, um die gegenstandsmodifizierte Strahlung zu messen, wobei sich der Gegenstand während der Zeitdauer einer vollständigen Tastung an einer bezüglich seiner Umgebung im wesentlichen festen Stelle befindet, und daß die Drehachse so bewegt wird, daß der Empfänger einen definierten FlächenbereiGh relativ zu seiner Umgebung überstreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Drehachse des Empfängers und dem Gegenstand im wesentlichen parallel zur Drehachse ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Drehachse des Empfängers und dem Gegenstand im v/es entlichen rechtwinklig zu der Drehachse ausgeführt wird.

h» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Bestrahlung des

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Gegenstands eine im wesentlichen punktf örmige Strahlungsquelle auf im wesentlichen der gleichen Kreisbahn geführt wird, die von dem. Strahlungsempfänger getastet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger nur wehrend eines Teils jedes Umlaufs, während dessen er sich innerhalb des definierten Flächenbereichs befinde^ abgelesen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche. 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung eine Vielzahl von im wesentlichen punktförmigen Empfängern auf einer Kreisbahn um eine Drehachse geführt werden, wobei jeder Empfänger nur während des gleichen bestimmten Abschnitts jedes Umlaufs abgelesen wird, während dessen sich der betreffende Empfänger über eine Dimension des definierten Flächenbereichs bewegt, der von dem Empfänger relativ zum Gegenstand überstrichen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Gewinnung von holographischen Informationen des Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit kohärenter Strahlung bestrahlt und die von dem Empfänger gemessene gegenstandsraodifizierte Strahlung nach Phase und Intensität mit einer Bezugswelle verglichen wird, die mit der auf den Gegenstand gerichteten Strahlung kohärent ist.

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8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen punktförmige Strahlungsquelle (13, 35, 55, 71, 85, 193, 195), einen im wesentlichen punktförmigen Strahlungsempfänger (17, 45, 65, 73, 91, 183), .eine Einrichtung (21, 43, 57, 75, 81, 101, 179, 131), um die Strahlungsquelle und/oder den Empfänger auf einer Kreisbahn um eine Drehachse zu bewegen, sowie eine Einrichtung, die die Drehachse relativ zu ihrer Umgebung bewegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreheinrichtung für die Strahlungsquelle und/oder den Empfänger eii^e rotierende Scheibe (21, 43, 57, 75, 81, 101, 179, 181) umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e'k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung die Seheibe in Richtung der Drehachse bewegt (Fig. 2, 3, 4).

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η ze'ichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung die Scheibe im v/esentlichen senkrecht zur Drehachse bewegt (Flg.1, 5, 6, 8).

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von im wesentlichen punktförmigen Strahlungsempfängern (91, 93) in bestimmten Winkeln an der Scheibe (81) angeordnet ist. '

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ζ e.ic h η e t , daß die Strahlungsempfänger (91, 93) auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt im wesentlichen mit der Drehachse zusammenfällt, gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von im wesentlichen punktförmigen Strahlungsempfängern (183) an einer relativ zu der Scheibe (181) verschiebbaren, radial verlavifenden Gleitschiene (185) in gleichmäßigen Abständen angeordnet ist und daß eine Nockenscheibe (187) zur Verschiebung der Gleitschiene relativ zu der Scheibe bei Rotation der Scheibe vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenfläche der Nockenscheibe (187) so gestaltet ist, daß sie die Gleitschiene (185) mit gleichmäßiger Geschwindigkeit relativ zu der Scheibe (181) jeweils um einen Weg verschiebt, der in wesentlichen gleich

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dem Abstand zwischen den Strahlungsempfängern (183) ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl an Strahlungsempfängern (91, 93, 183) ausreicht, so daß der gleichmäßige Abstand zwischen den Strahlungsempfängern gleich oder kleiner ist als eine Dimension eines definierten abzutastenden Flächenbereichs, den die Strahlungsempfänger überstreichen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche S bis 16 zur Gewinnung von holographischen Informationen, dadurch gekennze ichnet , daß die Strahlungsquelle (13) an einen elektrischen Oszillator (15) angeschlossen ist und daß mit den Strahlungsempfängern (17) und dem Oszillator eine elektronische Schaltung (23) verbunden ist, die die empfangene Strahlung mit dem Oszillator-Ausgangssignal als Bezug nach Phase und Intensität vergleicht und am Ausgang ein elektrisches Signal liefert, das der holographischen Information analog ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17 zur Dire&tabbildung eines Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß in den Weg der gegenstandsmodifizierten Strahlung eine Einrichtung (177, 197, 247) zur Abbildung des Gegenstands auf einen von den Sripfändern (133)

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getasteten Flächenbereich eingeschaltet ist und daß die elektrischen AusgangsSignaIe der Empfänger einer Einrichtung (191) zur Darstellung eines sichtbaren Bildes des Gegenstands anliegen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18 r-.u-Unterv/asser-Beobachtung mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß- die Strahlungsquelle (193, 195) Ultraschallenergie zur Bestrahlung eines Raums vor dem Betrachter aussendet und daß eine Ultraschall-Linse' (197, 247) die von Gegenständen innerhalb des Raumes reflektierte Ultraschall-Energie auf die abzutastende Fläche abbildet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Linse (197, 247) ein Ultraschall-Energie brechendes Strömungsmittel in einem Behälter (219, 245) mit mindestens einer flexiblen, für Ultraschall-Energie durchlässigen Folie (206, 207, 247) enthält und daß eine Einrichtung (199) zur Steuerung der Menge des Strömungsmittels und dadurch des Krümmungsradius der Linse vorgesehen ist.

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L e e r s e i t e