DE2353071A1 - Fokussier- und ablenksystem fuer die schallbilderzeugung - Google Patents

Description

a ten tan Wire«

Dr. E. Boettner V

-Str. 38. ΤΛ WlB*

P-873A As/P

Stanford Research Institute, 333 Ravenswood Avenue,· Menlo Park, California 94025 (V.St.A.)

Fokussier- und Ablenksystem für die Sohalibilderseugung

Die Erfindung bezieht sich, auf ein Fokussier- und Ablenksystem für die Schallbilderzeugung.

Die Anwendung von Akustiklinsen, bei der die höchsten Anforderungen an die Genauigkeit des Fokussierens gestellt werdeni ist diejenige der Schallbildungserzeugung für die zerstörungsfreie Prüfung. Für die zeitgetreue Abbildung von Organen in einem lebenden Organismus, beispielsweise eines Herzens im Körper einer lebenden Person, durch Ultraschall, ist es wichtig, die Trennung samtliner Schallwellen, die eine Bildinformation enthalten, und die Erzeugung eines möglichst verzerrungsfreien "Schallbildes¹¹ unter geringstem Verlust an Schallenergie in einem Bruchteil einer Sekunde zu ermöglichen. Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel einer Bildfokussierund -ablehkungsanordnung ist zwar speziell für eine solche · Verwendung ausgebildet und aufgebaut, und die Beschreibung befaßt sich daher auch mit dieser Anwendung, bei der besonders hohe Anforderungen gestellt werden. Es daif aber nicht übersehen werden, daß die Konstruktionen und Grundsätze für zahlreiche andere Anwendungsfälle der Schallbild-

-2-

.409846/0954

erzeugung und der Schallbildablenkung anwendbar sind. Beispielsweise besteht eine zweckmäßige Anwendung beim Fokussieren und Ablenken von einem Wandler erzeugter Schallwellen.

Ein erheblicher Verlust an Schallenergie, die sonst für die Schallbilderzeugung verfügbar wäre, wird durch die "Modusumwandlung" an der Trennflache zwischen einem flüssigen und einem festen Schallwellenleiter, wie einer Linse oder einem Bildablenkungseleaent, verursacht. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Umwandlung einer einfallenden Druckwelle, die in ein sinnvolles und zweckmäßiges Schallbild umwandelbar ist, in eine Schubwelle., die bei den meisten Systemen nutzlos und in gewissem Maß sorgar zweckfeindlich ist. Wegen des Schubspannungsgleichgewichtes an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff tritt keine Modusumwandlung auf, wenn die einfallende Druckwelle zur Auftreff-Fläche des Feststoffes unter rechtem Winkel steht« Wenn jedoch der Einfallwinkel von der Normalen zunehmend abweicht (dies ist als zunehmender Winkel zu betrachten), wird ein wachsender Anteil der Druckwelle in Schubwellenenergie umgewandelt, und «s gibt dann schließlich einen Winkel, bei dem die einfallende Druckwelle im wesentlichen zur Gänze in eine Schubwelle umgewandelt wird.

Dem Konstrukteur akustischer Abbildungs- und Bildablenkungsei em ent· stellt sich also das Problem, eine Linse und Bild— ablenkungselemente zu schaffen, die die einwandfreie Abbildung und Ablenkung ermöglichen, ohne daß sie der einfallen·*· den Welle eine so steile Grenz-fläche zwischen Flüssigkeit und Feststoff darbieten, daß ein nennenswerter Betrag der einfallenden Druckwellenenergie in Energie in Schubwellenform umgewandelt wird.

Eine Möglichkeit der Verminderung der Krümmung von Linsenelementen in einem akustischen Linsensatz ist in der auf den gleichen Erfinder zurückgehenden Patentanmeldung

409846/0954 -3-

4* (entsprechend der US-Patentanmeldung Serial No. 270 27^ unter der Bezeichnung "Composite · ' Acoustic lens" vom gleichen Anmelder eingereicht am 10. Juli 1972,) beschrieben. Die in dieser Anmeldung vermittelte Lehre dient dem gleichen Anwendungszweck, und der Gegenstand der genannten Anmeldung wird durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Die optisch wahrnehmbare Darstellung akustischer Wellenfelder ist bereits Gegenstand intensiver Forschung, die dazu geführt hat, daß eine große Mannigfaltigkeit von Verfahren zum Umwandlen von Schalldruck-Feldbildern in einem Medium in eine optisch wahrnehmbare Entsprechung aufgezeigt worden ist. Es sind bereits mehrere Ultraschallaufzeichnungsverfahren entwickelt worden, bei denen die Empfindlichkeit entweder photοgraphischer Emulsionen oder gewisser chemischer Reaktionen gegenüber akustischer Strahlung genutzt wird.

Leider sind aber die Empfindlichkeitswerte nur gering (in der Größenordnung von 1W/cm ), und die erforderlichen Belichtungszeiten (Beschallungszeiten) betragen Minuten bis Stunden. Zum Erzeugen sowohl temporärer als auch'permanenter Bilder sindauch bereits zahlreiche Nebenwirkungen der von einer beschallten Fläche-absorbierten akustischen Energie (wie z.B. Lumineszenz, änderungen der Farbe oder der elektrischen Leitfähigkeit) verwendet worden. Obwohl bei diesen Verfahrensweisen die Empfindlichkeitswerte um rund eine Größenordnung höher liegen als bei den vorangegangenen, sind sie für die praktische optisch wahrnehmbare Darstellung zu. diagnostischen Zwecken immer noch zu gering. Bei einem etwas empfindlicheren Verfahren, das jedoch noch immer träge anspricht, wird die durch ein Ultraschallfeld erzeugte Ausrichtung in einer Suspension von Metallplättchen durch optische Streuung festgestellt. Höchste Aufmerksamkeit haben in den letzten Jahren in weiten Kreisen die Verfahren zur

nachträglich
geändert

409846/0954

Schallbilderzeugung erregt, die auf der piezoelektrischen Umwandlung von Schalldruck-Momentanwerten in proportionale elektrische Potentiale beruhen. Ein zweidimensionales Ultraschalldruckmuster in einem Medium kann mit hoher Empfindlichkeit dadurch festgestellt werden, daß ein Bereich des vom Schall durchdrungenen Mediums mittels einer kleinen piezoelektrischen Sonde mechanisch abgetastet wird.

Bei allen genannten Verfahren verhindern die langen Belichtungs- (Beschallungs-) bzw. Abtastzeiten eine zeitgetreue Ultraschalldarstellung. Für die Anwendung in der Medizin jedoch ist eine zeitgetxeue optisch wahrnehmbare Darstellung natürlich äußerst wichtig. Beispielsweise würde es für den Diagnostiker von erheblichem Nutzen sein, wenn er in der Lage wäre, ein Organ bei Veränderung des Anblickes oder (wie dies bei gewissen Organen möglich sein kann) während der Bewegung des Organs durch Muskeltätigkeit durch den Patienten selbst kontinuierlich zu beobachten. Um dies nun zu erreichen, wird ein Verfahren der zeitgetreuen Umwandlung (Echtzeitumwandlung) benötigt.

Das Verfahren der Braggschen optischen Diffraktion (in der Tat nicht einfach ein Verfahren der Bildebenenumwandlung, da es sich um ein ausgesprochen unterschiedliches Prinzip der Bilderzeugung handelt) hat möglicherweise ein äußerst hohes Auflösungsvermögen. Für die Verwendung bei den für den Diagnostiker erforderlichen Nieder-MHz-Frequenzen ist es jedoch unzweckmäßig« Das Verfahren eines Flüssigkeitsoberflächenreliefs zeichnet sich durch eine weitgehend verbesserte Bildtreue und Empfindlichkeit aus. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist die Empfindlichkeit für die diagnostische Verwendung noch zu gering, und ein ausreichender Intensitätsbereich für diese Anwendung ist noch nicht nachgewiesen worden. Laser-Interferometerverfahren der Bildumwandlung scheinen, insbesondere wegen ihrer potentiell

-5-409846/0954

hohen Empfindlichkeit und großen Darstellungsfläche vielversprechend. Eine ausreichende Empfindlichkeit ist jedoch bisher nicht erreicht worden, und der Laser sowie andere optische Komponenten erfordern eine große stabile Plattform, die nicht in eine kleine Kamera eingebaut werden können. Eine andere Möglichkeit, die Sokoloff-Röhre, besteht aus einer resonanzfähigen Quarzstirnplatte an einer Elektronenstrahl-Abtaströhre. Trotz erheblichen Aufwandes zu deren Verbesserung mangelt es der Sokoloff-Röhre immer noch an Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit sowie Verläßlichkeit.

Der beste Weg zu- einer zeitgetreuen optischen Darstellung von Schallwellenfeldern scheint vorauszusetzen, daß eine oder mehrere Reihen von piezaeLektrischen Einzelaufnahmeelementen geschaffen werden, die der Reihe nach, synchron mit einem Kathodenstrahlröhren-Oszillographen mittels elektrischer Torschältungen abgetastet werden. Im Idealfall würde die gesamte Bildebene mit einer Rechteckmatrix von · kO 000 bis 100 000 Aufnahmeelementen bestückt sein} die Schwierigkeiten, eine gleiche Anzahl elektronischer Schalter und Verstärker unter vertretbarem Kostenaufwand herzustellen und mit diesen Elementen auf engstem Raum in praktisch brauchbarer Anordnung anzubringen, sind jedoch mit den Mitteln des Standes der Technik nicht zu beseitigen. Ein guter Kompromiss ist jedoch dadurch zu erzielen, daß ein Hybridwandler, bestehend, aus einer linearen Reihe ge-* trennter piezoelektrischer Elemente verwendet wird, die mit hoher Geschwindigkeit elektronisch abgetastet werden, während die ganze Reihe unter mechanischem Antrieb die gesamte Bildebene bestreicht, oder die selbst ruht, während das Schallbildfeld daran vorbeibewegt wird.

Ein Wandler, bei dem dieser Grundgedanke angewendet wurde, ist in der auf den gleichen Erfinder zurückgehenden und vom gleichen Anmelder eingereichten Patentanmeldung

409846 /095Λ

-6-

P 23 4-5 088.6 (entsprechend der US-Patentanmedlung Serial Nr. 291 OO2 vom 21. September 1972 unter der Bezeichr nung "Linear Transducer Array for Ultrasonic Image Conversion") beschrieben. Das Fokussier- und Ablenksystem gemäß der Erfindung dient insbesondere zur Verwendung im Verein mit einer solchen Anordnung; eg ist jedoch leicht ίλχ erkennen, daß das Anwendungsfeld erheblich weiter ist.

Vom Standpunkt der technischen Konstruktion und Ausrüstung erscheint es besser, zur Vorbeibewegung des Schalldruckbildfeldes an der ortsfesten Anordnung Reflexions- oder Brechungseinrichtungen vorzusehen. Eine Voraussetzung für ein solches Vorgehen besteht darin, daß das ,-ganze Bildfeld an der linearen Anordnung vorbeibewegt wird und daß zwischen dem Feld— ablenkungssystem, der linearen Wandleranordnung und dem Signalentnahmesystem eine derartige Abstimmung vorgesehen wird, daß das ganze Bild rekonstruiert werden kann. Die Erfindung schafft ein Ultraschallbild-Fokussier- und -ablenksystem zum Fokussieren eines Ultraschalldruckbildes auf eine Fläche, beispielsweise auf eine Ebene oder auf die Fläche eines Kugelsegmentes, und .zum zyklischen Verschieben . sämtlicher Punkte auf der Druckbildfeldfläche in solcher Weise, daß alle diese Punkte eine Linie überqueren und somit das gesamte Bildfeld von einer einzigen Reihenanordnung von Wandlerelementen in ein Signal umgewandelt werden kann, das sich zur Verwendung bei der Darbietung eines optisch wahrnehmbaren Bildes eignet.

Ein akustischer Fokussierlinsensatz und eine Bildablenkungsanordnung zur Verwendung in flüssigen Medien ist mit zwei oder mehreren massiven Linsen und Bildablenkungselementen ausgestattet, zwischen denen sich ein flüssiges Füllmedium befindet. Die Materialien des Satzes akustischer Linsen und

.Bildablenkungselemente, sind derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem Medium an mindestens einer Seite der zusammengesetzten An-

409846/0954

-7-

■ -7-

Ordnung zwischen der Schallwellengeschwindigkeit in den Medien der Akustiklinsen und Bildablenkungselemente und in dem flüssigen Füllmedium liegt. Durch geeignete Wahl des "Verhältnisses zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in den Linsen und Ablenkungselementen, dem diese umgebenden flüssigen Medium und dem flüssigen Füllmedium in der zusammengesetzten Anordnung wird der Einfallwinkel des Druckbildfeldes auf die Oberfläche der massiven Linsen und Bildablerikungselemente erheblich verringert (dem rechtwinkeligen Einfalls möglichts angenähert) und im wesentlichen sogar so weit vermindert, daß eine Modusumwandlung an den Trennflächen der flüssigen und festen Medien im wesentlichen ausgeschaltet wird und dennoch die gewünschte Abbildung und Bildablenkung ermöglicht werden. Der Krümmungsradius der festen Linsenelemente wird also erheblich erhöht, und der Winkel ebener Flächen von Bildablenkungselementen in bezug auf die Einfallachse eines Druckbildfeldes wird erheblich vermindert.

Die Erfindung schafft also im wesentlichen ein zusammengesetztes Schallabbildungs-und Schallablenkungssystem zur Verwendung in einem flüssigen Medium zur-Bildung von Schallbildern mit einfallenden Schallwellen und zum gleichzeitigen Ablenken und Vorbeibewegen des so erzeugten Bildes über ein Bildfeld in solcher Weise, daß das ganze betreffende Schalldruckbildfeld von einer Linie (in der Praxis von einer linearen Anordnung von-Wandlern zum Umwandeln des einfallenden Schalldruckbildfeldes in ein gleichwertiges elektrisches Signal) bestrichen wird, die in einer Ebene enthalten ist, in der auch die Achse des einfallenden Schallbildfeldes liegt. Das Abbildungs- und Bildablenkungssystem enthält einen Linsensatz, der zwei oder mehr Linsenelemente aufweist, zwischen denen ein Füllmedium enthalt» ist, zum Herbeiführen der Fokussierwirkung sowie zwei zwischen den Lihsenelementen (in dem Füllmedium) angeordnete Brechungsprismen, die zur Erzielung der Bildablenkung in je einer Ebene

409846/0954 ~⁸~

zu einander gegenläufig drehbar montiert sind. Bei anderen Ausführungsformen sind die Linsenelemente und Prismen durch Schaffung zweckentsprechender Linsenprofile für prismatische Linsen kombiniert, indem beispielsweise an der einen Seite jedes Elementes ein Fokussierlinsenprofil und an der anderen Fläche desselben die geneigte ebene Fläche eines Prismas angeordnet ist, und es sind Mittel zum gegenläufigen Antrieb der Linsenelemente vorgesehen, so daß die kombinierten Linsen- und Prismenelemente sowohl das Fokussieren als auch die Bildablenkung übernehmen. Zur Verminderung des Krümmungsradius der Linsenelemente und/oder der Neigung der Prismenflächen in solchem Maß, daß eine Modusumwandlung an den Trennflächen zwischen flüssigem und festem Stoff im wesentlichen ausgeschaltet wird, während für die erforderliche Bilderzeugung und Ablenkung (Brechung) gesorgt ist, sind die Materialien der Linsen, Prismen und der mit geführten flüssigen Medien derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen in dem Medium an mindestens einer Seite des Linsensatzes zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Füllmedium und dem Medium der Linsen und Prismen liegt.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 und 3 sind vertikale längsgerichtet Hauptschnitte (entlang der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2) durch Bildablenkungs- und Fokussieranordnungen zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens anhand zweier unterschiedlicher Linsenausbildungen und

Fig. 2 ist eine teilweise weggebrochene Stirnansicht der Bildablenkungs- und Fokussieranordnungen gemäß Fig. 1 und 3 zur Veranschaulichung der räumlichen Anordnung der Linsen und Ablenkelemente und des Ablenkantriebes in dem Gehäuse.

409846/0954

Eine bevorzugte Ausführungsform eines Zusammengesetzen Schallabbildungs- und Bildablenkungssystems, anhand dessen die Anmeldung im folgenden erläutert wird, ist in Fig. 1 und 2 dargestellt, Die Fokussierelemente des Systems, die zunächst besprochen werden, können die gleichen sein, wie die in der .genannten Anmeldung P 2.~3> 3t² &&3, & (entsprechend der US-Patentanmeldung Serial Nr. 270 2T{h vom 10. Juli 1972) beschriebenen. Im Interesse einer vollständigen Beschreibung und im Hinblick auf das neue Zusammenwirken zwischen Abbildungs- und Bildablenkungsteilen des Systems werden die Fokussierelemente und deren Wirkung im folgenden nochmals zusammengefaßt.

Das Fokussieren (das Abbilden) erfolgt bei dem dargestellten Schallabbildungs- und Bildablenkungssystem mittels zweier massiver Linsenelemente 10 und 12, die beide im allgemeinen von bikonkaver Form sind" und in axialer Ausrichtung in einem Abstand voneinander liegen, so daß zwischen ihnen ein Hohlraum 13 gebildet ist. Die Beschreibung der in dem Hohlraum. 13 zwischen den Linsenelementen 10 und 12 untergebrachten EIe- mente wird zunächst zurückgestellt, da diese einen Teil des Bildablenkungssystems bilden, das später noch eingehend beschrieben wird. Der Hohlraum 13 ist im übrigen mit einem flüssigen Füllmedium 14 ausgefüllt. Die zusammengesetzte Schall-Linsenanordnung ist zur Verwendung in einem flüssigen Medium bestimmt; sie ist daher beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem allge: mein zylindrischen Rohr 15 untergebracht, das in ein flüssiges Medium 16 (als Umgebungsflüssigkeit bezeichnet) eingetaucht ist. Der Hohlraum 13 inn e rhalb der akustischen Linsenanordnung ist von der Umgebungsflüssigkeit 1 "6 durch die Linsenelemente 10 und .12 und durch die diese tragenden und umschließenden Wände 29 bzw. 31 dichtend getrennt. Jede der ringförmigen Einbau- und Verschlußwände 29 und 31 ist entlang ihres Ümfanges dichtend mit der Innenseite des rohrförmigen Gehäuses 15 verbunden, und die Linsenelemente 10 und 12 sind innerhalb

40 9 8

nachträglich

der kreisförmigen Öffnungen 33 bzw. 35 in den beiden Stütz- und Verschlußwänden 29 und 31 hermetisch abgedichtet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist im oberen Teil des Gehäuses 15, d.h. oberhalb der Linsenelemente 10 .und 12, ein Raum für das (im folgenden noch beschriebene) Antriebsgetriebe vorgesehen, indem die kreisförmigen Öffnungen 33 und 35 in den Einbau- und Verschlußwänden 29 und 31 exzentrisch sind. Wie dargestellt, sind die kreisförmigen Öffnungen 33 und. 35 in den scheibenförmigen Einbaulind Verschlußwänden 29 und 31 gegen den Boden des Rohres 15 versetzt. Wichtig ist jedoch, daß jedes Linsenelement 10 und 12 zusammen mit der zugeordneten Einbau- und Verschlußwänd 29 und 31 einen hermetischen Abschluß bildet, der einen Leckaustausch zwischen dem Medium im Hohlraum und der Umgebungsflüssigkeit 16 verhindert.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Material der Lin-senelemente IO und 12 so gewählt, daß die Geschwindigkeit der Schallwellen in diesen im Vergleich air Ausbreitungsge- ' schwindigkeit der Wellen in der Umgebungsflüssigkeit hoch ist, und daraus ergibt sich die konkave oder bikonkave Lin— senfο mi. Dieses allgemeine Profil ist vorzuziehen, da die Konstrukteure von Schall-Linsen sich darüber im allgemeinen einig sind, daß unter den Bedingungen der vorliegenden Anwendung eine konkave L^nse (eine Schallbeschleunigungslinse) eine geringere Aberration und Reflexion erzeugt als eine konvexe Linse (Schallverzögerungslinse) und es daher besser ist, Schall-Linsen aus Substanzen herzustellen, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit größer als in der Umgebung ist (siehe "Sound Focussing Lenses and Waveguides", von T.Tarnoczy in Ultrasonics, Juli - September 1965t Seiten 115 bis 127, und "The Aberrational Characteristics of Acoustic Lenses" von B.D. Tartakovskii in Soviet Physics-Acoustics, Bd. 8, Nr. 3, Januar - März I963).

-11-

409846/095

Der Teil der Gesamtanordnung, der das Abbilden oder Fo- . kussieren besorgt, ist nun beschrieben. Man betrachte nun ' die Keilelemente 18 und 20, die zwischen die Linsenelemente 10 und 12 eingefügt sind und das einfallende Druckbildfeld in solcher Weise bewegen sollen, daß eine im wesentlichen lineare Anordnung von getrennten Wandlerelementen in die Lage versetzt wird, das volle Bildfeld in elektrische Signale umzuwandeln, die in eine optisch wahrnehmbare Darstellung des Bildfeldes, beispielsweise auf dem Schirm eines Oszilloskops, umsetzbar sind. Man betrachte zunächst die Akustikkeile 1P und 20 in der in Fig. 1 dargestellten Ruhestellung, in der das Bild im wesentlichen ohne Änderung seines Charakters oder Anblicks übertragen oder abgelenkt wird. Als nächstes ziehe man die Bildablenkung in Betracht, die durch die gegenläufige Drehung der Keile erzeugt wird, und anschließend den zugehörigen Antrieb, der die Keile 18 und 20 zur Erzeugung der richtigen Ablenkung gegenläufig antreibt.

Die dargestellten Keile bestehen aus dem gleichen Material wie die Linsen 10 und 12 und sind entlang der Bahn axial ausgerichtet, in der ein durch die Linsenelemente 10 und fokussiertes Druckbildfeld einfällt. Die Keile 18 und 20 sind mit den Linsenelementen 10 und 12 axial ausgerichtet gehalten, indem sie in Öffnungen 37 bzw. 39 von scheibenförmigen Einbau— und Verschlußwänden 41 und 43 drehbar montiert sind. Jede-dieser ringförmigen Einbau- und .Verschlußwände 41 und kj ist, wie die Verschlußwände 29 und 31 für die Linsen 10 und 12,mit ihrem Mantel der Innseite des rohrförmigen Gehäuses 15 schmiegend angepaßt, und die kreisförmigen Keilhalteöffnungen 37 und 39 sind in bezug auf die Wände kl und 43 derart exzentrisch angeordnet, daß sie mit den entsprechenden exzentrischen Öffnungen 33 und 35 in den Linseneinbauwänden 29 und 31 axial fluchten. Auf diese Weise sind die Keile 18 und 20 und die Linsen 10 und 12 axial ausgerichtet befestigt.

409846/0954

Der Keil 18 (in der Darstellung links) ist derart ausgerichtet, daß sich sein Abschnitt größter Dicke unten und der Abschnitt kleinster Dicke oben befindet. Er hat zwei ebene Flächen 22 und 24. Die innere ebene Fläche 24 liegt, wie dargestellt, zur .Längsachse des Gehäuses 15 der Anordnung unter rechtem Winkel, und die äußere ebene Fläche 22 ist gegenüber jener geneigt. Wenn sich der Schallkeil 18 in Ruhe befindet, wird die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Schallwellenfeldes um einen Winkelbetrag nach oben verschoben, der durch die Neigung der Flächen 22 und 24 bestimmt ist. Bei der dargestellten Vorrichtung hat der Keil 18, gleich den Linsen 10 und 12, einen kreisförmigen Außenumriß. Der von den ebenen Flächen 22 und 24 eingeschlossene Winkel beträgt 3»7 » und die Dicke des Keiles an seiner dünnsten Stelle beträgt 6,3 mm {l/k") und an seiner dicksten Stelle 19 mm (3/4").

Der Schallkeil 2O (rechts in der Darstellung) stimmt mit dem Schallkeil 18 in jeder Beziehung überein, ist jedoch gegenüber jenem um 180 um seine Längsachse verdreht. Der Schallkeil 20 besteht also aus dem gleichen Material, hat zwei ebene Flächen 26 und 28, die einen Winkel von 3»7° einschließen, und der Ort geringster Dicke (von 6,3mm i/4") liegt in der Darstellung unten und der Ort dickster Abmessung (19 mm - 3/4") befindet sich oben. Die ebene Fläche 26 des Keiles 20, die der vertikalen ebenen Fläche 24 des Schallkeiles 18 dirskt benachbart liegt, ist ebenfalls zur Achse des Gehäuses 15 der Anordnung unter rechtem Winkel ausgerichtet. Bei der dargestellten Stellung wird also die Ausbreitungsrichtung eines einfallenden Wellenfeldes von dem Schallkeil 2O genau um den gleichen Winkelbetrag nach unten abgelenkt, um den es von dem Keil 18 nach oben abgelenkt wurde. Ein Schallwellenfeld, das in der Anordnung von links nach rechts wandert, wird also derart fokussiert, daß in der oben beschriebenen Weise

-13-

409846/0954

durch die Linsenelemente 10 und 12 ein Schallbild geschaffen wird, dessen allgemeine Stellung in der Bildebene (Anblick) durch die Akustikkeile 18 und 20 unverändert bleibt.

Aufgrund der bereits beschriebenen Konstruktionsprinzipien dürfte der Fachmann in der Lage sein, ein Linsen- und Bildablenkungssystem gemäß der Lehre der Erfindung zu konstruieren. TJm jedoch die Elemente in dem dargestellten besonderen Ausführungsbeispiel des Systems genauer zu beschreiben, sei erwähnt, daß sich die Innenflächen der ebenen Teile der Linsenelemente 10 und 12 in einem Abstand von ca. 86 mm (3 7/16") voneinander befinden und die vertikalen ebenen Innenflächen 24 und 26 der Keile 18 und 20 jeweils ca. 36 mm (1 7/16") von dem zunächstliegenden LinseneJenent entfernt sind. Die Keilelemente 18 und 20 sind also zwischen den Linsen 10 und 12 symmetrisch angeordnet und befinden sich in einem Abstand voneinander von ca. 14,3 ram (9/16").

Die erste Fläche (22) des Schallkeiles 18, auf die ein von' links nach rechts (in der Figur) wanderndes Schallwellenfeld auftrifft, ist also genau parallel zur Ausgangsfläche 28 des Schallkeiles 20, und die (vertikale) ebene Austrittsfläche 2k des Schallkeiles 18 ist zur Schalleintrittsfläche 26 des Schallkeiles 20 bei der dargestellten Stellung parallel.

Daraus folgt, daß, wenn die Schallkeile 20 und 18 gegenläufig zueinander je um 180 verdreht werden, die beiden geneigten Flächen 22 und 28 der beiden Keile, die in der in Fig. 1 dargestellten Stellung zueinander .parallel waren, abermals zueinander parallel liegen, jedoch im entgegengesetzten Sinn geneigt sind. Nach einer solchen Verdrehung liegen also der "dicke. Abschnitt des Schaltkeiles 18 und der dünnste Abschnitt des Schallkeiles 20 im Gehäuse 5 der Anordnung oben. Ein Druckbildfeld, das auf die äußere

409846/0954 ₁₄

ebene Fläche 22 des Keiles 18 auftrifft, wird also nun von dem Schallkeil 20 (anstatt, wie im vorigen Fall nach oben) um genau den gleichen Betrag nach unten verschoben. Auch bei dieser Stellung wird dann das einfallende Schall·»- bild beim Ausgang aus der Fokussier- und Ablenkeinrichtung nicht verschoben. , -

Obwohl andere Betriebsarten möglich sind, ist es am zweckmäßigsten, das System so auszubilden, daß durch die Keil— elemente 18 und 20 keine sphärische Aberration erzeugt wird, d.h. dass sämtliche durch die Keile hindurchgehenden Wellen eben sind. Dies wird dadurch erreicht, daß das System so ausgebildet wird, daß die abzubildende Dingebene im Abstand der Brennweite vom .Linsenelement liegt, auf das die Bildebene einfällt.

Da die Aufgabe des Abbildungs- und Ablenkungssystems in der dargestellten Form letztlich darin, besteht, das ganze Druckbildfeld in elektrische Signale umzuwandeln, die anschließend in eine optisch wahrnehmbare Darstellung um— setzbar sind, und da die besonderen Einrichtungen zur Durchführung der Umsetzung aus einer linearen Anordnung von Wandlern besteht, die hier nicht beschrieben sind, jedoch in der bereits genannten Anmeldung P 23 4-5 088.6 (entsprechend der US-Patentanmeldung Serial Nr. 291 002) eingehend beschrieben wurden, besteht also die Aufgabe darin,das vollständige Bildfeld quer zu der Linie der linearen Wandleranordnung ohne Drehung des Bildes hin- und herzubewegen. Dies bedeutet, daß die (nicht dargestellte) lineare Anordnung hinter der Fokussier- und Ablenkanordnung in einer Ebene angeordnet ist, die horizontal ist und durch die Zentralachse des rohrförmigen Gehäuses 15 der Linsen- und Ablenkanordnung hindurchgeht (und die auch als eine zur Ausrichtungsachse unter rechtem Winkel stehende Linie definiert ist, die in einer Ebene liegt, die die Ausrichtungsachse enthält). Die Aufgabe des Ablenksystems besteht

409846/0954 _₁₅_

also darin, das Bild rechtwinkelig, ohne Drehung rand ohne seitliche Verschiebung über diese Linie zu führen. "

Da die Schallkeile 18 und 20 mit gleicher Drehzahl (d.i. um eine gleiche Anzahl von Winkelgraden je Secunde) gegenläufig umlaufend angetrieben sind, nimmt der Winkel zwischen den ursprünglich parallelen Außenflächen 22 und 28 von Null bei der dargestellten Stellung bis zu einem Maximum bei der um je 90 verdrehten Stellung der Keile fortschreitend zu und dann wieder bis zu Null bei der um je 180 verdrehten Stellung der beiden Keile ab. Wenn die Keile nun weiter verdreht werden, nimmt der Winkel zwischen den ursprünglich geneigten, jedoch parallelen Flächen 22 und wiederum bis zu einem Maximum (bei einer Verdrehung von 270 ), in der entgegengesetzten Richtung zu und wieder auf Null bei der Ausgangsstellung (Verdrehung um 36O ) ab. Die Kombination der beiden mit gleicher Drehgeschwindigkeit umlaufenden Keile wirkt also wie ein Keil mit veränderlichem Winkel. Das einfallende Schalldruckbildfeld wird also in wirksamer Weise an einer unter rechtem Winkel zur Achse der Ausrichtung der Elemente in einer diese Ausrichtungsachse enthaltenden Ebene liegenden Lfnie vorbei auf- und abbewegt. Diese bestreichende Wirkung erfolgt für jede volle Umdrehung der beiden Schallkeile ohne Verdrehung oder seitliche Verschiebung je einmal in beiden Richtungen.

Die Keile 18 und 20 sind in den Öffnungen 37 und 39 der Keilstützwände 41 und kj in Lagern drehbar gelagert. Bei der dargestellten speziellen Ausführungsform sind ringartige Schutzbänder oder Fassungen 30 bzw. 32 an dem Mantel der Keile 18 und 20 schmiegend eingepaßt- oder, mittels eines Epoxydklebers, angeklebt, und innerhalb der Öffnungen 37 und 39 in den Keilstützwänden U1 und k3 sowie um die ringartigen Schutzbänder 30 und 32 an den betreffenden Keilen 18 und 20 sind zwei herkömmliche K_ugellagerringe

eingesetzt, so daß die Keile in ihren Stützwänden frei um-

409846/0954 . -16-

+ gegenläufig

laufen können. In der Darstellung sind zwei Lagerringe + für den Keil 18 links in der Darstellung mit 34 sowie zwei Laufringe⁺für den Keil 20 auf der rechten Seite mit 36 bezeichnet. Für die Übertragung der Drehantriebskräfte auf die Keile 18 und 20 sind die ringartigen Bänder 30 und 32 ferner mit Zahnkränzen 38 bzw. 40 versehen, die sich über deren Mantelfläche an einenvüber die Lagerringe hinaus vorspringenden Teil derselben erstrecken.

Der Sinn der (nach unten in der Darstellung) exzentrisch versetzten Anbringung der Linsen— und Keilanordnungen in dem zylindrischen Gehäuse 15 besteht darin, im oberen Teil des Gehäuses unter einem Mindestaufwand an Gesamtgehäuseraum möglichst viel Platz für die Unterbringung des Antriebsgetriebes für die Keile zu schaffen. Dies ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich, in der der Zahntrieb oberhalb der Linsen- und Keilanordnung schematisch dargestellt ist.

Zum besseren Verständnis der Auflagerung des Antriebs und seiner Wirkungsweise sei auf Fig. 1 verwiesen. Der Antriebsmotor 42 ist über dem zylindrischen Gehäuse 15 in herkömmlicher und nicht besonders dargestellter Weise mittels einer am Gehäuse 15 starr angebrachten Motorgehäusekonsole 44 montiert. Die Motorgehäusekonsole 44 und die Mittel zu deren Befestigung an dem Gehäuse 15 des Linsen- und Keilsatzes sind nicht eingehend dargestellt und beschrieben, da sie keinen Teil der Erfindung bilden. Der Antriebsmotor 42 ist ein herkömmlicher Elektromotor mit einer Drehzahl von 1800 U/min und dient zum Antrieb des Getriebes, das seinerseits die beiden Keile 18 und 20 mit der geeigneten Drehzahl, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 45O U/min beträgt, gegenläufig antreibt.

Zum Verständnis des Antriebes verfolge man den Antriebszug von der Welle 46 des Motors 42 über das Zahngetriebe zu den gegenläufig angetriebenen Prismen oder Keilen 18 und 20.

409846/0954 -17-

+ bzw. Lager

Die spezielle Anordnung des Antriebes ist jedoch, natürlich nicht entscheidend. Die Motorwelle 46 erstreckt sich, vom Motor 42 durch die Wand der Motoreinbaukonsole 44. Im Ioteresse der Beschreibung sei angenommen, daß die Motorwelle 46 in herkömmliner Weise im Uhrzeigersinn umläuft und den einen Keil (den links dargestellten Keil 18) im Gegenuhrzeigersinn und den anderen Keil 20 im Uhrzeigersinn antreibt·. Die Antriebsgetriebe und -riemen für den einen Keil 18 können also als gegenuhrzeigersinnige und die Teile zum Antrieb des anderen Keiles 20 als uhrzeigersinnige Antriebselemente bezeichnet werden. Die Motorwelle trägt zwei Antriebsritzel 48 und 50, die einen Teil der uhrzeigersinnigen bzw. der gegenuhrzeigersinnigen Antriebsanordnung bilden.

Man verfolge nun zunächst den uhrzeigersinnigen Getriebezug für den Antrieb des Keiles 20 im Uhrzeigersinn. Dieser uhrzeigersinnige Antrieb weist einen endlosen Zahnriemen 52 auf, der von dem uhrzeigersinnigen Antriebsritzel 48 angetrieben ist und um ein angetriebenes Zahnrad 54.(unmittelbar unter dem uhrzeigersinnigen Antriebsritzel 48) läuft. Es sei bemerkt, daß das angetriebene Zahnrad 54 am einen Ende einer hohlen Antriebswelle 56 getragen ist, die sich durch den Teil der Motoreinbaukonsolenplatte 44 erstreckt, der an der oberen Wand des rohrförmigen Gehäuses 15 vorbei nahezu bis zur Oberseite der Linsen und Keile nach unten reicht, und in diesem Teil der Konsolenplatte 44 drehbar gelagert ist* Die uhrzeigersinnige Antriebshohlwelle 56 erstreckt sich auch durch die benachbarte Linseneinbau- und -tragwand 31 und die zunächst benachbarte Keileinbau- und Tragplatte 43. Die Tragwände 31 und 43 bildeneine Abstützung für die Antriebshohlwelle 56 und halten deren (nicht dargestellte) Lager und (ebenfalls nicht dargestellte) Dichtungen, so daß die Welle 56 zwar frei umläuft, jedoch kein Medium in den inneren Hohlraum 13 ein— bzw. aus diesem aussickert. Um einen Riemenschlupf zu vermeiden,

409846/0954 -18-

sind die uhrzeiger sinnigen Antriebszahnräder 48 und 54 mit Außenverzahnungen versehen, die mit Innenverzahnungen an dem Zahnriemen 52 kämmen, der über die Außenflächen der beiden Antriebszahnräder herumgeführt ist. Auf diese Weise wird auch das uhrzeigersinnige Antriebszahnrad 54 an der Antriebshohlwelle 56 im Uhrzeigersinn angetrieben.

Bei der dargestellten speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die Beziehungen der Durchmesser der uhrzeiger— sinnigen Antriebszahnräder 48 und 54 und der Zähnezahlen derart gewählt, daß das Antriebszahnrad 54 mit 3240 U/min umläuft und die Welle 56, an der es montiert ist, mit gleicher Drehzahl antreibt. Der uhrzeigersinnige Antrieb für die Drehung des Keiles 20 im Uhrzeigersinn wird durch ein uhrzeigersinniges Zahnrad 58 vervollständigt, das an der uhrzeiger sinnigen hohlen Antriebswelle 56 direkt oberhalb der Antriebsverzahnung 40 an dem Schutzband 32 für den Keil montiert ist. Um das uhrzeigersinnige Antriebszahnrad 5.8 an der Hohlwelle 56 und um die Verzahnung 40 des Schutzbandes 32 des (rechten) Keiles 20 ist ein Zahnriemen 60 geführt. Die Verzahnungen des Zahnriemens 60 und der Zahnräder 5k und 58 verhindern einen Riemenschlupf. Die Beziehungen der Durchmesser und Zähnezahlen der Zahnräder sind bei der dargestellten Ausführungsform derart gewählt, daß der Keil 20 vom Motor 42 mit einer Drehzahl von 450 U/min im Uhrzeigersinn angetrieben werden kann.

Man betrachte nun den Antriebszug für den Drehantrieb des Keiles 18 im Gegenuhrzexgersinn, ausgehend von dem gegenuhrzeigersinnigen Antriebsritzel 50 (das selbst natürlich im Uhrzeigersinn umläuft) am (in der Darstellung rechten) äußeren Ende der Motorwelle 46. Zur Erzielung der erforderlichen Drehsinnumkehr ist in einer an der Motorkonsole unter der Motorwelle 42 starr montierten, rohrförmigen Verlängerung 71 eine drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62

-19-

409846/0954

montiert. Der rohrförmige Ansatz 61 ist mit Lagerringen 63 ausgestattet, die dLe Zwischenwelle starr, jedoch frei drehbar lagern. Für die Drehsinnumkehr -sorgt ein Zwischenzahnrad 6k, das direkt unterhalb des gegenuhrzeigersinnigen Antriebszahnrades 50 montiert ist und dessen Verzahnung direkt mit den Zähnen des Antriebsritzels 50 kämmen. In dieser Weise wird die drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62 (in bezug auf die Motorwelle/ im Gegenuhrzeigersinn angetrieben. Auch hier sind die Zahnraddurchmesser und Zähnezah— len derart gewählt, daß die drehsinnumkehrende Zwischenwelle 62 mit 45O U/min angetrieben wird.

Zur Vervollständigung der Antriebsanordnung ist an der Zwischenwelle 62 (mit dieser in Gegenuhrzeigersinn umlaufend) ein zweites gegenuhraigersinniges Antriebszahnrad 66 montiert,, das einen innenverzahnten Riemen 68 antreibt, der über ein gegenuhrzeigersinniges Antriebszahnrad 70 geführt ist und mit dessen Verzahnung kämmt. Das gegenuhrzeigersinnige Antriebszahnrad 70 ist direkt unter dem gegenuhrzeigersinnigen Zwischenzahnrad 66 an einer Welle 72 montiert, die konzentrisch im Inneren der uhrzeigersinnigen Antriebswelle 56 (und in bezug auf diese drehbar) angeordnet ist. Außerdem erstreckt sich die gegenuhrzeigersinnige Antriebswelle 72 weiter durch die Stützwand 41 für den im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Keil 18. Die Lager für die frei drehbare Aufnahme der Antriebswelle 72 in der Stützwand 41 .sind wiederum nicht dargestellt. Die Beziehung der Verzahnungs— durchmesser und Zähnezahlen an dem gegenuhrzeigersinnigen Zwischenzahnrad 66 und dem Antriebszahnrad 70 ist auch hier so gewählt, daß die gegenuhrzeigersinnige Antriebswelle 72 mit 32^0 U/min angetrieben wird.

Der gegenläufig umlaufende Mechanismus wird durch ein weiteres gegensinniges Antriebszahnrad 7^ vervollständigt , das am gegenüberliegenden Ende der gegenläufigen Antriebswelle 72 direkt über der Verzahnung 38 an dem Schutzband

409846/0954

-20-

für den gegensinnig umlaufenden Keil 18 montiert ist. Um das Band 30 herum ist ein endloser Zahnriemen 76 geführt, der mit den Zähnen der gegenläufigen Antriebswelle 74 und des Bandes 3Q im Eingriff steht, das an dem gegenläufig anzutreibenden Keil 18 befestigt ist, so daß dieser im Gegenuhrzeigersinn angetrieben wird. Auch hier sind die Durchmesser der Zahnräder und deren Zähnezahlen so gewählt, daß der gegenläufig umlaufende Keil 18 mit 45oU/min umläuft.

Daraus ist ersichtlich, daß die beiden Keile 18 und 2O mit genau übereinstimmender Drehzahl gegenläufig umlaufen, so daß ein einfallendes Druckbildfeld, das durch die Linsenelemente 10 und 12 fokussiert wird, an einer zur Achse der Ausfluchtung unter rechtem Winkel stehenden Linie vorbei, ohne Verdrehung und seitliche Verschiebung, einmal in jeder Richtung für jede volle Umdrehung der beiden Schallkeile aufwärts und abwärts abgelenkt wird.

Es ist nebenbei zu bemerken, daß an dem äußeren Ende der Zwischenwelle 62 eine Taktgeberscheibe 80 montiert ist. Diese Taktgeberscheibe wird dazu verwendet, auf elektromagnetischem Weg eine elektrische Zeitablenkung (sweep) zu erzeugen, die in bezug auf die umlaufenden Prismen 18 und 20 derart synchron gekoppelt ist, daß das durch die Prismen abgelenkte Druckwellenfeld auf einem Fernsehschirm reproduziert werden kann. Dieses elektromagnetische Kippgeneratorsystem unter Verwendung der Scheibe 80 ist in der Parallelanmeldung P 23 48 448.2 (P-872, Erfinder Hugh F. Frohbach) des gleichen Anmelders dargestellt und beschrieben.

Nun folgt eine Darstellung des besonderen Zusammenwirkens der Materialien und Konstruktionen des Abbildungs- und Bildablenkungssystems. Zur Erzielung der einwandfreien Fokussierwirkung muß der Krümmungsradius der konkaven Linsenflächen, beispielsweise der Flächen der konkaven Linsen 10 und 12,

409846/0954

-21-

allgemein ziemlich klein sein, und die Flächen jeder Linse müssen daher einen hohen Krümmungsgrad aufweisen. Zur Erzielung einer Bildablenkung, die für die Abtastung eines
Druckbildfeldes praktischer Größe ausreicht, müssen ferner die Schal Jprismen oder Keile 18 und 20 normalerweise ebene Flächen aufweisen, die gegenüber dem einfallenden Feld
steil geneigt sind. Es ist bekannt, daß, wenn Schallwellen nicht unter rechtem Winkel sondern schräg zwischen einem
flüssigen und einem festen Material übertreten, in dem festen Material zusätzlich zu den longitudinalen Wellen auch Schubwellen erzeugt werden. Diese Erscheinung ist als "Modusumwandlung" bekannt.

Das zusammengesetzte Linsen- und Bildablenkungssystem vermindert die Modusumwandlung und sämtliche übrigen bekannten Nachteile von Akustiklinsen und Bildablenkungselementen,
nämlich Energieverluste infolge der Modusumwandlung, Energieabsorption durch die Materialien, Aberrationen und Reproduktionsfehler infolge innerer Erhitzung.

Die Energieabsorption wird teilweise durch die sorgfältige Auswahl des Materials der festen Linsen und Keilelemente 10 und 12 bzw. 18 und 20 auf ein Mindestmaß beschränkt. Beispielsweise wird als Material Polystyrol gewählt, da es sich dadurch auszeichnet, daß seine Schallabsorption im Vergleich zu derjenigen solcher Materialien wie beispielsweise Lucit (lucite) und Glas niedrig ist und auch seine Reflexionsfähigkeit im Wasser nur gering ist. Aberrationen werden durch Wahl der Konstruktionsparameter sowie durch Verwendung der
beschleunigenden Linsenanordnung auf ein Mindestmaß beschränkt.

Die Mittel und Strukturen der Linsen ermöglichen außerdem
eine Verminderung des für da.s Fokussieren erforderlichen
Krümmungsgrades der Linsenelemente und der für die einwandfreie Bildablenkung erforderlichen Neigung der

409846/0954 ~²²~

Keilflächen. Energieverluste und innere Erhitzung infolge der Modusumwandlung sowie Absorption werden also auf ein Mindestmaß beschränkt. Durch die Verminderung der erforderlichen Krümmung der Linsen wie der Neigung der Keilflächen werden auch die Dicken der Linsenelemente und der Schallprismen vermindert, was zu einer weiteren Verminderung der Energieabsorption führt. Modusumwandlung und Energieabsorption sind übrigens für die innere Erhitzung verantwortlich, die Reproduktionsfehler verursacht.

Die genannten Vorteile werden dadurch erzielt, daß d±e Materialien des flüssigen Füllmediums 14, der massiven Linsen- und Keilelemente 10 und 12 bzw. 18 -und 20 sowie der umgebenden Flüssigkeit 16 in geeigneter Weise ausgewählt werden. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel wird als Umgebungsflüssigkeit 16 ¥ässer gewählt, da es zu den Medien gehört, die bekanntermaßen am besten für die Koppelung mit biologischen Materialien geeignet ist, da deren spezifische Schallimpedanz der des Wassers annähernd·gleich ist. Wasser ist daher ein als Umgebungsmedium übliches und allgemein zweckmäßiges Material. Wie bereits angedeutet, wird als Material der massiven Linsen und Keilelemente Polystyrol verwendet.

Siliconöle, Frigone und andere fluorierte Kohlenwasserstoffe stehen als mögliche Füllmedien Ik zur Wahl. Von besonderem Nutzen sind die im Handel erhältlichen fluorierten Kohlenwasserstoffe der Gattung, die von der Herstellerfirma, Minnesota, Mining and Manufacturing Company, als Fluorinert bezeichnet wird. Speziell geeignet als flüssiges Füllmedium 14 ist der fluorierte Kohlenwasserstoff FC 75. Schallwellen mit einer Frequenz von 3,5 MHz (der Frequenz, für die das System ausgelegt ist) haben eine Geschwindigkeit von 2400 m/s in Polystyrol, I5OO m/s in Wasser und 6OO m/s in FC 75. Die mittlere Wichte von Polystyrol ist 1,1 g/cm^J und die für destilliertes Wasser ist annähernd 1 g/cm bei 25°C, und die

409846/0954

-23-

Dichte von FC 75 beträgt 1,77 g/cm .

Die akustischen Eigenschaften von Polystyrol (Linsen- und Keilelemente) oder der Materialien für das Füllmedium 1 k allein unterscheiden sich nicht genügend von denjenigen von Wasser, um die Linsenkrümmungen und die Neigungen der Keilflächen zu verminderen, jedoch liefert die geeignete Kombination dieser Materialien eine erfolgreiche Wirkung. Zu beachten ist, daß die Wahl der Materialien für die Linsenelemente 10 und 12, die Keile 18 und 20, das flüssige Füllmedium 14 und die Umgebungsflüssigkeit 16 derart getroffen ist, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der einfallenden Schallwellen in dem Medium mindestens an der Seite der zusammengesetzten Schall-Linsen- und Bildablenkungsanordnung, an der die Schallwellen auftreffen, zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in den Medien der Linsen und Keilelemente 10 und 12 bzw. 18 und 20 und in dem flüssigen Füllmedium 14 liegt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schall-Linsen- und Bildablenkunganordnung ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen in den massiven Elementen (in den Linsenelementen 10 und 12 und in den Prismen 18 und 2θ) höher als in der Umgebungsflüssigkeit 16, und das Füllmedium 1k ist daher derart gewählt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in diesen niedriger als in der Umgebungsflüssigkeit 16 ist. Ferner sind die Verhältnisse der Brechungsindizes der Materialien groß gewählt, und dies führt für die Linsen von gegebener Brennweite zu einer Verminderung der Aberration (vgl. Drude, The Theory of Optics, Dover Publications. Inc., 195θ). In Weiterbildung der Erfindung kann das Auflösungsvermögen dadurch verbessert werden, daß auf der Bildseite der Anordnung anstatt Wasser das Füllmedium 16 (im Beispielsfall FC 75) verwendet wird. Bei einer praktischen Konstruk» tion für eine wichtige Anwendung der Erfindung haben die Linsenelemente 10 und 12 und die Prismen 18 und 20 einen

409846/0954 ~^2k-

Außendurchmesser von 240 mm (9t5") wobei der wirksame Teil der Elemente (die gekrümmten Flächen der Linsen bzw. die Ablenkflächen der Keile) einen Durchmesser von 215mm (8,5") hat. Der Krümmungsradius der Linsen 10 und 12 an der der Umgebungsflüssigkeit 16 zugewendeten Seite beträgt ca. 320 mm (12,6"), und der Krümmungsradius der gegenüberliegenden (dem flüsigen Füllmedium 14 zugewendeten) Flächen beträgt 925 mm (36,4"). Diese Abmessungen ergeben für den Schall-Linsensatζ eine Brennweite von ca. 152 mm (6").

In manchen Fällen ist es zweckmäßig, die gleiche Fokussier- und Bildablenkungswirkung, wie oben beschrieben, mit weniger Elementen zu ermöglichen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die allgemeine Anordnung des Gehäuses und des Antriebes die gleiche wie oben für das Ausführungsbeispiel der Figuren und 2 beschrieben, und eine eingehende Beschreibung des Gehäuses und der Antriebselemente erübrigt sich. Im übrigen sind übereinstimmende Teile der beiden Ausführungsformen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ein einziges Paar von gegenläufig drehend angetriebenen Linsen- und Keilelementen 110 bzw. 112 sowohl die Abbildungs- als auch die Ablenkfunktion übernimmt. Solche Linsen können als Prismalinsen bezeichnet werden. Beide Flächen der Prismalinsen können gekrümmt und geneigt sein, die hier dargestellten und beschriebenen Linsen sind jedoch von der einfachsten Konstruktion und am leichtesten zu verwirklichen. Es ist jedoch zu bemerken, daß jede geeignet konstruierte Prismalinse, d.h. eine solche, die die beschriebene Funktion einwandfrei erfüllt, vom Schutzumfang erfaßt sein soll.

Die Außenflächen 114 und 116 der beiden Elemente 110 und 112 erhalten die erforderliche konkave Krümmung für das einwandfreie Fokussieren der einfallenden Druckbildfelder.

40984 6V 0954 -25-

Da die beiden Bildfokussier- und Ablenkelemente 110 und 112, wie dargestellt, vollständig symmetrische sind, kann das Bildfeld von der einen oder von der anderen Seite einfallen. Um die gewünschte Bildablenkung zu erzielen, sind die Innenflächen ti8 und 120 der beiden Elemente 110 bzw. 112 eben, zueinander parallel und in bezug auf die zentrale Längsachse des Gehäuses (die zugleich die zentrale Längsachse der Abbildungs- und Bildablenkungselemente 110 und 112 ist) unter einem Winkel geneigt. Da die beiden Flächen zueinander parallel sind, ist zu erkennen, daß ein Druckbildfeld, das von der einen oder anderen Seite her die Anordnung durchwandert, durch die Elemente 110 und 112 einer Fokussierwirkung unterworfen wird, ohne daß jedoch durch die Gesamtkombination der beiden Elemente das Aussehen verändert wird. Wenn jedoch die Elemente 110 und 112 mit gleicher Drehzahl gegenläufig angetrieben werden, wird das Druckbildfeld in der gleichen Weise nach oben bzw. unten verschoben, wie dies für das erstere Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Die Verwendung der Kombination von Materialien einschließlich der Umgebungsflüssigkeit 16 und des Materials der Linsen und Ablenkelemente (i0, 12, 1.8 und 20 bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 110, 112 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3) ermöglichen die gewünschte Fokussier- und Ablenkwirkung unter Verwendung von Linsenkrümmungen und Ablenkebenen, die die Modusumwandlung an den Flächen aufs äußerste vermindern. Der Neigungswinkel der ebenen Flächen: .der Keile 18 und 20 müßte zur Erzielung der erforderlichen Bildablenkung notwendigerweise so groß gewählt werden, daß die Modmsumwandlung untragbar würde, es sei denn, daß das mitgeführte Füllmedium 13 so gewählt wird, daß die Geschwindigkeit in der Umgebungsflüssigkeit zwischen derjenigen in den Linsen und Ablenkelementen und der in dem mitgeführten flüssigen Medium liegt. Die Verwendung eines mitgeführten Füllmediums mit geringer Geschwin—

409846/0954

—26 + bzw. der Linsen-"und Keilelemente 110 und 112 - -

digkeit ermöglicht größere Ablenkungen oder anstatt dessen kleinere Prismenwinkel. Sie gestattet auch, eine bessere Korrektur von Linsenaberrationen.

Die Schallbildablenkungs- und Linsenanordnungen gemäß Fig. 1 und 2 sind in hohem Maße zweckmäßig und wurden zur Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung im weiten Sinn verwendet; die Grundsätze können jedoch ohne Abweichen von dem Erfindungsgedanken bei Anordnungen- von in mannigfaltiger Weise abgewandelter Ausführung angewendet werden. Beispielsweise kann die Anordnung aus einer beliebigen Zahl von Linsen und Ablenkelementen oder Elementen anderer Profilierung oder räumlicher Form (beispielsweise" plan-konkav, konvex-konkav usw.) bestehen, oder einzelne Linsenelemente können aus Linsenkombinationen aufgebaut sein, ohne daß dies ein Abweichen vom allgemeinen Erfindungsgedaolcen bedeutet. Ferner können zur Verminderung der Aberration Anschläge in beliebiger Zahl vorgesehen und beispielsweise zwischen den Elementen der Anordnung .eingesetzt sein,' und die Linsenflächen können zur Verminderung der Reflexion entsprechend behandelt sein. Es ist beispielsweise bekannt, Linsenflächen zur Verminderung der Reflexion, nach dem Interferenzprinzip mit einem Überzug zu versehen oder zu ätzen (um eine Rauheit oder Oberflächenporen zu erzeugen).

Wenn es ferner erwünscht ist, die Ablenkung statt der Sinusform einer anderen Form, beispielsweise einer Dreieckform, anzunähern, können die Xeile mit nicht konstanter Drehzahl angetrieben sein. Es können auch andere Antriebsmechanismen verwendet werden; beispielsweise wird durch, einen magnetisch gekoppelten Antrieb der Keile oder Prismen eine Durchführung der Antriebsmechanismen durch die Wand der dichtverschlossenen Kammer vermieden, wodurch Abdichtungsprobleme entfallen. Außerdem, wenn, eine elliptische Verflechtung in einer Richtung unter rechtem Winkel zu der der mechanischen Ab— . tastung erwünscht ist, können die ebenen Flächen der Ablenkprismen von der parallelenLage leicht abweichend ausgebildet

409846/0954 -27-

Obwohl also besondere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist die Erfindung nie ht auf diese beschränkt, sondern es sind mannigfaltige Abwandlungen des Schall-Linsensatzes unter Anwendung der Grundsätze der Erfindung möglich.

Pat entansprüche

-28-

409846/095A

Claims (22)

1. Patentansprüche

   Schallabbildungs- und -bildablenkungssystem zum Abtasten eines Schalldruckbildfeldes durch Vorbeibewegen desselben an einer gegebenen Linie in solcher Weise, daß jeder Teil des Bildfeldes sich an der Linie vorbeibewegt, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar akustischer Keile (Prismen), die entlang der Einfall— bahn eines Druckbildfeldes axial ausgerichtet und um diese Achse drehbar montiert sind und deren jeder mindestens eine ebene Fläche aufweist, die mit der Achse der Einfallbahn einen Winkel einschließt und zur entsprechenden Fläche an dem anderen bei einer gegebenen Verdrehstellung im wesentlichen parallel steht, und eine Einrichtung zum Antreiben der akustischen Keile mit entgegengesetztem Drehsinn und gleicher Winkelgeschwindigkeit unter Aufrechterhaltung der axialen Ausrichtung in solcher Weise, daß sich die ebenen Flächen bei zwei Stellungen während der Drehung im wesentlichen in paralleler Lager befinden und das übertragene Druckbildfeld bei jeder vollen Umdrehung der akustischen Keile einmal in jeder Richtung periodisch rechtwinkelig an einer Linie vorbeibewegt wird, die zu der Ausrichtungsachse unter rechtem Winkel in einer Ebene liegt, in der auch die Ausrichtungsachse liegt, jedoch gegen diese Linie weder verdreht noch seitlich verschoben wird.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Flächen der Keile in einem Abstand voneinander liegen und direkt entgegengesetzt gerichtet sind.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile je zwei ebene Flächen haben, die mit der Ausrichtungsachse ungleiche Winkel einschließen.

   409846/0954

   -29-
4. 4. System nach, einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen jedes akustischen Keiles bei zwei Stellungen während jeder Umdrehung im wesentlichen parallel zu ebenen Flächen des anderen akustischen Keiles liegen.
5. 5» System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der zwei ebenen Flächen jedes Keiles zur Ausrichtungsachse der Keile im wesentlichen unter rechtem Winkel steht und die beiden rechtwinkeligen ebenen Flächen direkt entgegengesetzten Richtungen zugewendet sind und in einem Abstand voneinander liegen.
6. 6. Schallabbildungs- und -bildablenkungssystem zum gleichzeitigen Fokussieren eines einfallenden Schalldruckbildfeldes und zum Abtasten des fokussierten Druckbildfeldes durch Vorbeibewegung an einer gegebenen Linie, gekennzeichnet durch Linsen, die in der Bahn eines einfallenden Schalldruckbildfeldes axial ausgerichtet liegen, zum Fokussieren des Bildfeldes, ein Paar akustischer Keile, die zum Bewegen des Schalldruckbiidfeldes ebenfalls in dessen Bahn axial ausgerichtet liegen und je mindestens eine ebene Fläche aufweisen, die mit der Achse des einfallenden Schallbildfeldes einen Winkel einschließt und zur entsprechenden Fläche des anderen Keiles bei einer gegebenen Verdrehstellung parallel liegt, und Einrichtungen zum Antreiben der akustischen Keile mit entgegengesetztem Drehsinn und gleicher Winkelgeschwindigkeit unter Aufrechterhaltung der axialen · Ausrichtung in solcher Weise, daß die ebenen Flächen in zwei Stellungen bei jeder Umdrehung zueinander parallel liegen, und das übertragene Druckbildfeld für jede volle Umdrehung der akustischen Keile einmal in jeder Richtung periodisch rechtwinkelig an einer Linie vorbeibewegt wird, die am Schnittpunkt mit der Achse zu dieser unter rechtem Winkel steht und in einer

   4 09846/0954 -30-

   Ebene liegt, die die Ausrichtungsach.se enthält.
7. 7« System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Keil zwei ebene Flächen aufweist, die zueinander unter einem Winkel stehen und .mit der Achse der Ein— fallbahn unterschiedliche Winkel einschließen.
8. 8. System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen jedes akustischen Keiles zu ebenen Flächen des anderen akustischen Keiles bei zwei Stellungen während jeder Umdrehung im wesentlichen parallel liegen.
9. 9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine ebene Fläche jedes Keiles zur Ausrichtungsachse der Keile im wesentlichen unter rechtem Winkel steht und daß die so rechtwinkelig ausgerichteten ebenen Flächen sich in einem Abstand voneinander befinden und entgegengesetzten Richtungen zugewendet sind.
10. 10. Schallabbildungs- und -bildablenkungssystem zum gleichzeitigen Fokussieren eines einfall-enden Schalldruckbildfeldes und zum Abtasten des fokussierten Druckbildfeldes durch Vorbeibewegung an einer gegebenen Linie, gekennzeichnet durch mindestens zwei Linsenelemente, die in der Bahn eines einfallenden Schalldruckbildfeldes zum Fokussieren desselben axial ausgerichtet sind, und zwei akustische Keile, die zum Bewegen des Schalldruckbildfeldes ebenfalls in dessen Bahn axial ausgerichtet angeordnet sind und die zwischen den Linsenelementen angeordnet sind, mindestens eine ebene Fläche an jedem akustischen Keil, die mit der Achse des einfallenden Schallbildfeldes einen Winkel einschließt und zur entsprechenden Fläche des anderen Keiles für eine gegebene relativ verdrehte Stellung parallel Hegt, und eine Einrichtung zum Antreiben der akustischen Keile mit entgegengesetztem Drehsinn

    409846/0954

    -31-

    und gleicher Winkelgeschwindigkeit unter Aufrechterhaltung der axialen Ausrichtung in solcher Weise,
    daß die ebenen Flächen während der Umdrehung in jeweils zwei Stellungen zu einander parallel liegen und das übertragene Druckbildfeld bei jeder vollen Umdrehung der akustischen Keile einmal in jeder Richtung
    periodisch unter rechtem Winkel an einer Linie vorbeibewegt wird, die am Schnittpunkt mit der Achse zu dieser unter rechtem Winkel steht und in einer Ebene
    liegt, die die Ausrichtungsachse enthält.
11. 11, System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile je zwei ebene Flächen aufweisen, die unter einem Winkel zueinander und unter unterschiedlichen
    Winkeln zur Achse der ,Einfallbahn stehen.
12. 12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen jedes akustischen Keiles für zwei Stellungen während der Umdrehung zu ebenen Flächen des

    anderen akustischen Keiles im wesentlichen parallel liegen.
13. 13· System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden ebenen Flächen jedes Keiles zur Ausrichtungsachse der Keile im wesentlichen unter rechtem Winkel steht, und die so rechtwinkelig ausgerichteten ebenen Flächen sich in einem Abstand voneinander befinden und in entgegengesetzte Richtungen gewendet sind.
14. 14. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Linsenelementen und um jeden der akustischen Keile herum ein flüssiges Füllmedium vorgesehen ist, daö ein fluorierter Kohlenwasserstoff ist oder
    einen solchen enthält.

    409846/0954

    235307
15. 15· Zusammengesetztes Schallabbildungs- und -bildablenkungssystem zur Verwendung in einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, daß es das System nach einem der Ansprüche 1 bis 14 enthält und daß die Linsenelemente und die akustischen Keilelemente aus Linsen- bzw.
    Keilmedien zusammengesetzt sind und zwischen den Lin— senelementen und um die akustischen Keile herum ein
    flüssiges Füllmedium vorgesehen ist, und daß die Materialien der Linsen, der akustischen Keile und des
    Füllmediums derart gewählt sind, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem Medium mindestens an einer Seite des akustischen Linsensatzes
    zwischen der Geschwindigkeit der Schallwellen in dem Medium der Linsen- und Keilelemente und der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem flüssigen Füllmedium liegt.
16. 16. System nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Keile je zwei ebene Flächen aufweisen, die unter einem ¥inkel zueinander und unter unterschiedlichen
    Winkeln zur Achse der Einfallbahn stehen.
17. 17· System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen jedes akustischen Keiles für zwei Stellungen während jeder Umdrehung im wesentlichen
    parallel zu ebenen Flächen des anderen akustischen
    Keiles liegen.
18. 18. System nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß eine der zwei ebenen Flächen jedes Keiles zur Aus- "
    richtungsachse der Keile im wesentlichen unter rechtem Winkel steht und die so rechtwinkelig ausgerichteten ebenen Flächen sich in einem Abstand voneinander befinden und in entgegengesetzte Richtungen gewendet sind.

    -33-

    409846/0954
19. 19· Schallabbildungs- und -bildablenkungssystem zum gleichzeitigen Fokussieren eines einfallenden Schalldruckbildfeldes und zum Abtasten des fokussierten Druckbildfeldes durch Vorbeibewegen desselben an einer gegebenen Linie, gekennzeichnet durch mindestens zwei prismatische Einzellinsenelemente, die zum gleichzeitigen Fokussieren und Bewegen eines einfallenden Schall— druckbildfeldes in dessen Einfallbahn axial ausgerichtet sind, und eine Einrichtung zum Antreiben der akustischen prismatisάεη Linsenelemente in entgegengesetztem Drehsinn mit gleicher Winkelgeschwindigkeit unter Aufrechterhaltung der axialen Ausrichtung in solcher Weise, daß das übertragene Druckbildfeld während einer vollen Umdrehung der prismatischen akustischen Linsenelemente einmal in jeder Richtung periodisch ortogonal an einer Linie vorbeigeführt wird, die an dem Schnittpunkt mit der Achse zu dieser unter rechtem Winkel steht und in einer Ebene liegt, die die Ausrichtungsachse enthält.
20. 20. Zusammengesetztes Schallabbildungs- und -ablenkungssystem zur Verwendung in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß es ein System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1.9 enthält und daß die prismatischen Linsenelemente aus einem gegebenen Medium zusammengesetzt sind und zwischen den prismatischen Linsenelementen ein flüssiges Füllmedium vorgesehen ist und daß die Materialien der prismatischen Linsenelemente und des Füllmediums derart gewählt sind, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem Medium mindestens an der einen Seite der zusammengesetzten akustischen Linsen zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem Medium der prismatischen Linsen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem flüssigen Füllmedium liegt.

    . 409846/0954
21. 21. System nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der einzelnen prismatischen Linsenelemente eine gekrümmte.Fläche zum Fokussieren eines einfallenden Schalldruckbildfeldes sowie eine ebene Fläche aufweist, die zur Achse des einfallenden Schallbildfeldes unter einem Winkel steht und bei zwei Stellungen während jeder Umdrehung parallel zur entsprechenden ebenen Fläche des anderen prismatischen Einzellinsenelementes liegt.
22. 22. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die prismatischen Linsenelemente aus einem gegebenen Medium zusammengesetzt sind und zwischen den prismatischen Linsenelementen ein flüssiges Füllmedium vorgesehen ist und daß die Materialien der prismatischen Linsenelemente und des Füllmediums derart gewählt sind, daß die Ausbrextungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem Medium mindestens an der einen Seite der zusammengesetzten akustischen Linsen zwischen der Schallwellengeschwindigkeit in dem Medium der prismatischen Linsenelemente und der Ausbrextungsgeschwindigkeit von Schallwellen in dem flüssigen Füllmedium liegt.

    23· System nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den prismatischen Linsenelementen ein flüssiges Füllmedium vorgesehen ist, das ein fluorierter Kohlenwasserstoff* ist oder einen solchen enthält.

    409846/0954