DE2517178A1

DE2517178A1 - Bildkatode fuer ultraschallbildaufnahmeeinrichtungen

Info

Publication number: DE2517178A1
Application number: DE19752517178
Authority: DE
Inventors: Daniel Charles; Lucien Guyot; Guy Moiroud; Jean Philippe Reboul
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-18
Publication date: 1975-10-30
Also published as: FR2268352A1; GB1504727A; FR2268352B1; DE2517178B2; JPS50147229A; US3982068A; DE2517178C3

Description

Bildkatode für Ultraschallbildaufnahmeeinrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Bildkatode für Ultraschallbildaufnahmen, d.h. für die Aufnahme von Bildern aus Ultraschallwellen, die sich von dem sichtbarzumachenden Objekt zu der

Bildkatode bewegen. Die Bildkatode nach der Erfindung enthält ein pyroelektrisch.es Element, das auch als pyroelektrische Retina bezeichnet werden kann, unter den unten beschriebenen Bedingungen.

Die Erfindung betrifft außerdem alle mit einer solchen Bildkatade ausgerüsteten Einrichtungen.

Bei der Sichtbarmachung von Objekten in lichtabsorbierenden oder lichtstreuenden Medien, in welchen sich die Übertragung von optischen Bildern als unmöglich erweist, ist es bekannt, verschiedene Ersatzverfahren zu verwenden. Bei einem

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von ihnen werden die Ultraschallwellen ausgenutzt, die von dem Objekt ausgesandt oder übertragen oder aus einer Quelle stammen und von ihm reflektiert werden. Diesbezüglich ist hinzuweisen auf "Ultrasonic Microscope" von Sokoloff in den Rechenschaftsberichten der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, Band 64, S.333, 1949, und auf die GB-PS 841 025 und die US-PS'en 3 325 777 und 3 600 936.

Alle diese Druckschriften beschreiben piezoelektrische Bildkato.den, die den einfallenden Ultraschallwellen ausgesetzt sind und in welchen sich aufgrund ihres piezoelektrischen Charakters unter der Einwirkung der Ultraschallwellen ein Relief von elektrischen Ladungen ausbildet, das ein Bild des Objekts ist, von welchem diese Ultraschallwellen ausgehen. Es ist angegeben, daß dieses Relief durch punktweises Abtasten der Bildkatode durch das Elektronenbündel einer Katodenstrahlröhre abgelesen wird, in welche die Bild'katode eingebaut ist. Eine solche piezoelektrische Bildkatode hat die Form eines mono- oder polykristallinen Plättchens aus einer piezoelektrischen Masse, welches die betreffende Katodenstrahlröhre an einem ihrer äußeren Endenverschließt. Die Dicke dieses Plättchens liegt in der Größenordnung von -4-, wobei λ die Wellenlänge der benutzten Ultraschallstrahlung bezeichnet, während ihr Durchmesser beispielsweise in der Größenordnung von 30λ liegt, damit sich eine ausreichende Auflösung in dem Fall einer Wellenlänge λ von 1,5 mm ergibt, die Wellen mit einer Frequenz von 1 MHz in einem Medium entspricht, in welchem ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit 1500 m/s beträgt.

Diese Abmessungen sind im allgemeinen mit der mechanischen Festigkeit inkompatibel, die die Bildkatode aufweisen muß, damit sie die zwischen ihren beiden Seiten herrschende Druckdifferenz aushält. Das ist anscheinend der Grund dafür, daß diese Bild katoden nur zu einer begrenzten Entwicklung geführt haben, trotz ihrer sehr hohen Empfindlich-

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keit von 10 mW/cm und ihrer für die oben angegebenen

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Werte zufriedenstellenden Auflösung in der Größenordnung der Wellenlänge λ .

Man hat versucht, diese Schwierigkeit zu beseitigen, indem man ein einzelnes piezoelektrisches Element mit kleinen Abmessungen verwendet, welches durch mechanische Einrichtungen das abzulesende Feld abtastet, aber dann ist die Lesezeit lang, d.h. liegt in der Größenordnung von mehreren Sekunden, oder indem man punktförmige piezoelektrische Detektoren verwendet, die in Form eines Rasters angeordnet sind, aber in diesem Fall gelangt man für eine begrenzte Auflösung zu einer komplizierten Bild katodenstruktur.

Die Erfindung schafft eine neue Bildkatode, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Diese Bild katode ist eines der Ziele der Erfindung, die sich außerdem auf mit solchen Bildkatoden versehene Einrichtungen bezieht.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Die Fig. 1 bis 3 schematische Schnittansichten von

drei verschiedenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Bild-katode auf ihrem Träger,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer

mit einer Bildkatode gemäß Fig. versehenen Einrichtung, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines

Bildaufnahmesystems, welches eine Einrichtung gemäß Fig. 4 aufweist.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Bildkatode nach der Erfindung.

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Auf einem Träger 1, der für Ultraschallwellen durchlässig ist, die durch den Pfeil dargestellt sind und von dem Objekt stammen, ist ein bekanntes pyroelektrisches Element aufgebracht. Pyroelektrische Elemente dieser Art sind aus den DT-OS'en 2 223 270 und 2 223 288 bekannt. Der Träger 1 besteht aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und es soll sich mit ihm eine gute Kopplung mit dem Medium herstellen lassen, in welchem sich die einfallenden Ultraschallwellen ausbreiten. Dieses Material ist beispielsweise ein Glas, wenn das betreffende Medium Wasser ist. Das pyroelektrische Element 2 ist im allgemeinen auf den Träger 1 aufgeklebt, der eine Dicke von mehreren Millimetern hat.

In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 hat die . Bildkatode außerdem eine elektrisch isolierende Schicht 3 aus einem Material, welches die Eigenschaft hat, die einfallenden Ultraschallwellen zu absorbieren. Die aus dieser Absorption resultierende Wärme verteilt sich in dem pyroelektrischen Element 2, auf welchem sie ein Wärmebild .es Objekts bildet. Dieses Wärmebild wird seinerseits innerhalb des pyroelektrischen Elements 2 aufgrund von dessen pyroelektrischer Eigenschaft in ein elektrisches Ladungsbild umgewandelt, wie in den oben genannten OffenlegungsSchriften im einzelnen erläutert. Die Menge der elektrischen Ladungen, die an jedem Punkt auftreten, ist im großen und ganzen proportional zu der von diesem Punkt empfangenen Ultraschallenergie. Dieses Bild wird durch irgendeine geeignete Einrichtung abgelesen.

Ein Beispiel für eine solche Einrichtung ist weiter unten beschrieben.

Das pyroelektrische Element 2 besteht beispielsweise aus einer einkristallinen Glycinsulfatschicht mit einer Dicke von einigen Hundert Mikrometern, wenn man in Wasser mit Ultraschallwellen arbeitet, die eine Frequenz von 1 MHz haben;

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die Wellenlänge beträgt in diesem Fall 1,5 mm. Die absorbierende Schicht 3 besteht aus einem Überzug aus einer elektrisch isolierenden Masse, beispielsweise Antimontrisulfid Sb₂S.., der in Form einer porösen Schicht, die beispielsweise durch Vakuumaufdampfung erzielt wird, aufgebracht ist. Ihre Dicke ist absichtlich kleiner als die des pyroelektrischen Elements 2. Unter den angegebenen Bedingungen soll der Durchmesser eines runden pyroelektrischen Elements in der Größenordnung eines Dezimeters liegen, damit eine ausreichende Auflösung erzielt wird. Bei einer anderen Ausführungsform der vorhergehenden Anordnung (Fig. 2) ist die Schicht 3 auf den Träger 1 zwischen diesem und dem pyroelektrischen Element 2 aufgebracht.

In den weiter oben beschriebenen Beispielen besteht die

Bildkatode aus zwei Elementen 2 und 3, die auf den Träger 1 aufgebracht sind. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung beschränkt sich die Bildkatode auf ein einziges Element 20, welches auf den Träger 1 aufgebracht ist, wie in Fig. 3 im Schnitt dargestellt. Das Element 20 besteht aus einem Material, welches sowohl pyroelektrisch ist als auch die Eigenschaft hat, Ultraschallwellen zu absorbieren. Solche Materialien sind Verbundmaterialien, welche aus einer Vielzahl von kleinen Kristallen aus einem pyroelektrischen Material gebildet sind, die in eine schallenergieabsorbierende Masse eingebettet sind. Eine solche Bildkatode ist auf den Träger 1 aufgeklebt, wie in dem Fall der Ausführungsform von Fig. 1. Bei einer anderen Ausführungsform der Anordnung von Fig. 3 wird die Absorption ganz einfach durch Hohlräume erzielt, die zwischen den Kristallen angeordnet sind: das pyroelektrische Element ist in Form von kristallinen Körnern aus einem pyroelektrischen Material hergestellt, die auf den Träger aufgeklebt und durch Hohlräume voneinander getrennt sind. Bei beiden Ausführungsformen dieser Anordnung ist das pyroelektrische Element durch das mit Kreuzen bedeckte Rechteck

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in Fig. 3 dargestellt. In den Fig. 1 bis 3 bezeichnet die Bezugszahl 7 die elektrisch leitende Signalplatte, welche zum Entnehmen des von der Bildkatode gelieferten elektrischen Signals dient.

Oben ist die Struktur der Bildkatode nach der Erfindung beschrieben worden, welche die Umwandlung des auftreffenden Schallbildes in ein thermisches und elektrisches Bild erlaubt. Es bleibt jetzt noch übrig, die Leseeinrichtungen für ein solches Bild zu erläutern. Unten ist als Beispiel edne der gemäß der Erfindung zu diesem Zweck verwendeten Einrichtungen beschrieben, welche ein Elektronenbündel verwendet, das die Bildkatode auf der von dem Träger abgewandten Seite abtastet, wie in dem Fall der bekannten pyroelektrischen Bildkatoden, wie sie beispielsweise in den beiden oben erwähnten Offenlegungsschriften beschrieben sind. Es sei vor dem Beschreiben dieser Einrichtung einfach noch hinzugefügt, daß in dem Fall der Bildfcatoden nach der Erfindung das Vorhandensein der absorbierenden Schicht, wenn eine solche Schicht existiert (Fig. 1 und 2), zu einer besonderen Auswahl des sie bildenden Materials verpflichtet. Diese Schicht verhält sich nämlich in jedem ihrer Punkte wie eine Kapazität, die in Reihe mit derjenigen des Punktes angeordnet ist, welcher ihm gegenüber auf dem pyroelektrischen Element liegt. Damit dieses Lesen nicht gestört wird, soll diese Kapazität in bezug auf die entsprechende Kapazität des pyroelektrischen Elements groß sein. Diese Bedingung wird erfüllt, indem entweder ein die absorbierende Schicht 3 bildendes Material mit großer relativer Dielektrizitätskonstante gewählt wird oder indem absorbierende Schichten mit sehr geringer Dicke verwendet werden oder indem beide miteinander kombiniert werden. Ein Harz, dem ein Metallpulver beigemischt ist, kann zum Herstellen dieser Schicht verwendet werden.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt der betreffenden Einrichtung in dem Fall einer aus zwei getrennten Schichten

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2 und 3 gebildeten Bildkatode. Der Träger 1 bildet das den Schallwellen ausgesetzte Eintrittsfenster der Katodenstrahlröhre 10, deren übriger Hüllenteil die Bezugszahl 9 trägt. Die Elektronenkanone ist mit der Bezugszahl 4 bezeichnet, während die Bezugszahlen 5 und 6 die Systeme zum Ablenken bzw. zum Fokussieren des Strahls zeigen, der in einer seiner Positionen durch die gestrichelte Linie im Innern der Hülle schematisch dargestellt ist. Rechts oben in Fig. 4 ist ohne Bezugszeichen schematisch die Schaltung zum Entnehmen des elektrischen Lesesignals dargestellt, während die Bezugszahl 8 ein Feldgitter bezeichnet.

Die Verwendung der Einrichtung von Fig. 4 kann indessen hinsichtlich der Folge der verschiedenen Operationen ein wenig von der in den beiden genannten Offenlegungsschriften abweichen, und zwar insbesondere in dem Fall, in welchem man mit übertragung der Ultraschallenergie durch das sichtbarzumachende Objekt hindurch arbeitet, gemäß dem Schema von Fig. 5, in welchem die Teile von Fig. 4 die gleichen Bezugszahlen wie in dieser Figur tragen. Die Ultraschallquelle ist bei 11 und das sichtbarzumachende Objekt bei 12 dargestellt. Die Bezugszahl 13 bezeichnet das System, welches analog einem optischen System das Bild des Objekts auf die Bildkatode der Katodenstrahlröhre 10 fokussiert, für ein Bündel, welches durch die äußersten Randstrahlen begrenzt ist, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Die Bezugszahlen 14 und 15 bezeichnen das Steuersystem der Katodenstrahlröhre 10 bzw. die Bildröhre.

In einer ersten Phase, die eine Dauer von einigen Zehn Millisekunden hat, wird das Objekt dem von der Quelle 11 ausgesandten Ultraschallwellenbündel ausgesetzt. Wenn diese Phase beendet ist, wird das Lesen dieses Bildes vorgenommen, indem die Bildkatode mittels des Strahls von langsamen Elektronen der Katodenstrahlröhre abgetastet wird, der durch das System 14 während der für dieses Lesen erforderlichen Zeit entsperrt wird. Die Bedingungen sind dabei denen in den beiden genannten Offenlegungsschriften analog. Danach läßt

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man die Bildkatode einige Zehn Millisekunden lang abkühlen. Dieser Abkühlung läßt man ein erneutes Abtasten der Bildkatode folgen, um sie in den Anfangsladungszustand zurückzuversetzen.

Eine solche Reihenfolge der Operationen gestattet, die Verwendung von Verschlüssen zu vermeiden, die im allgemein nen pyroelektrischen Bildikatoden zugeordnet sind, damit diese sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Strahls abkühlen können und das Signal erneuert werden kann, In dem Fall der Erfassung von Gegenständen durch Reflexion statt durch Transmission der Ultraschallwellen ermöglicht diese Reihenfolge dagegen mit einem passend synchronisierten Verschluß, auf der Bi Id katode nur die von diesen Objekten abgegebenen Echos zu empfangen, d.h.unter Ausschluß der Echos, die von den verschiedenen Hindernissen geliefert werden, die sich in verschiedenen Entfernungen in dem Abtastfeld zwischen der Quelle und dem Objekt befinden können. Außerdem ist es möglich,durch Regulierung der Verschluß- und Öffnungsphasen aufeinanderfolgend Abschnitte sichtbarzumachen, die sich in bestimmten Tiefen in dem Objekt befinden (Tomographie).

Bei einer weiteren Ausführungsform derselben Einrichtung wird dagegen das Ultraschallwellenbündel ständig aufrechterhalten. In diesem Fall erscheinen allein die beweglichen Objekte, was in der Technik der Aufnahme von thermischen Fernsehbildern.bekannt ist, wo die Unbeweglichkeit des Objekts das Verschwinden des Signals zur Folge hat.

Die BiMkatode nach der Erfindung und die mit ihr ausgerüsteten Einrichtungen, wie etwa die oben als Beispiel beschriebene, sind aperiodisch, d.h. von der Frequenz der verwendeten Schallwellen unabhängig oder zum allerwenigsten von dieser Frequenz wenig abhängig, und zwar aufgrund der thermischen Umwandlung der in ihnen enthaltenen Einfallsenergie.

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Sie sind außerdem Integrierer der empfangenen Energie während der gesamten Zeit, während der das Objekt der Strahlung der Quelle ausgesetzt ist, wenn diese Zeit nicht die Zeit überschreitet, an deren Ende die räumliche Auflösung der Bildkatode infolge der Diffusion der Wärme im Innern der Bildkatode aufgehoben wird.

Schließlich erhält man das Ultraschallbild des Objekts, welches von einer Einrichtung, wie etwa der von Fig. 4, geliefert wird, in einer sehr kurzen Zeit, im Gegensatz zu dem Fall von Ultraschalleinrichtungen, bei welchen andere bekannte Leseverfahren verwendet werden, wie beispielsweise Einrichtungen mit Flüssigkristallen. Diesbezüglich wird auf den Aufsatz "Mapping ultrasonic fields with cholesteric liquid crystals" von B.D. Cook und R.E. Werchan, in ULTRASONICS, April 1971, S.101 und 102, verwiesen.

Die Auflösung ist wie bei allen Einrichtungen, bei welchen Ultraschall verwendet wird. Sie liegt in der Größenordnung der Wellenlänge der benutzten Schallwellen.

Für die Erfindung gibt es verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise die Sichtbarmachung von Objekten unter Wasser zu Ortungszwecken oder das Ermöglichen der Arbeit in dem trüben Wasser von Häfen, oder die Untersuchung

von Bereichen des menschlichen Körpers oder die Beobachtung des Fötus auf medizinischem Gebiet und die zerstörungsfreie Materialkontrolle im industriellen Bereich. Bei allen Anwendungen unter Wasser handelt es sich in Anbetracht der großen Abschwächung, die die Ultraschallwellen im Verlauf ihrer Ausbreitung in diesem Medium erfahren, um eine Sichtbarmachung im Nahbereich.

Vorstehend ist anhand von Fig. 4 eine der Einrichtungen nach der Erfindung beschrieben worden, bei welcher das Ablesen der Bildkatode mittels eines Elektronenstrahls erfolgt. Diese als Beispiel angegebene Einrichtung ist nicht die einzige,

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die mit den erfindungsgemäßen Bildkatoden der Fig. 1 bis 3 hergestellt werden kann. Alle glexchwertigen Einrichtungen, die eine derartige Bildkatode verwenden, liegen im Rahmen der Erfindung.

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Claims

Patentansprüche :

Bildkatode für eine Ultraschallbildaufnahmeeinrichtung, gekennzeichnet durch ein Element aus einem pyroelektrischen Material, welches auf einen den Ultraschallwellen ausgesetzten Träger aufgebracht ist, und durch Einrichtungen zum Umwandeln der Energie der Ultraschallwellen in Wärmeenergie, die an das pyroelektrische Element abgegeben wird.
2. .Bildkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungseinrichtungen aus einer Schicht aus einem die Ultraschallwellen absorbierenden Material bestehen, die auf der von dem Träger abgewandten Seite auf das pyroelektrische Element aufgebracht ist.
3. Bildkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungseinrichtungen aus einer Schicht aus einem die Ultraschallwellen absorbierenden Material bestehen, die unter dem pyroelektrischen Element auf den Träger aufgebracht ist.
4. Bildkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Energieumwandlungseinrichtungen aus einem absorbierenden Material bestehen, welches in das pyroelektrische Element eingebettet ist.
5. Bildkatode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Element aus Kristallen mit kleinen Abmessungen aus einer pyroelektrischen Masse besteht, die in ein Harz eingebettet sind, dem ein metallisches Pulver zugesetzt ist.
6. Bildkatode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Material Glycinsulfat ist.

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7. Bilckatode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Element aus einer einkristallinen Glycinsulfatschicht besteht und daß die die Energieumwandlungseinrichtungen bildende Schicht aus porösem Antimontrisulfid Sb₃S₃ besteht.
8. Bild katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer körnigen Schicht von Kristallen aus einem pyroelektrischen Material besteht, die auf den Träger aufgeklebt ist.
9. ültraschallwellenbildaufnahmeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bildkatode nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist und daß sie im Innern einer Vakuumhülle, deren den Ultraschallwellen ausgesetzter Teil aus der Photokatode besteht, Einrichtungen zum Erzeugen eines Elektronenstrahls enthält, und daß sie Einrichtungen zum Erzeugen der punktweisen Abtastung der Bildkatode durch den Elektronenstrahl und Einrichtungen zum Ablesen der Menge von Ladungen aufweist, die durch den Elektronenstrahl in jedem der Punkte während seines Hinweggangs über dieselben aufgebracht werden, wobei diese Menge das Bildsignal des Punktes darstellt.

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