DE2621097B2

DE2621097B2 - Einrichtung zur darstellung einer ultraschallwellenverteilung

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Publication number: DE2621097B2
Application number: DE19762621097
Authority: DE
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DE2621097C3; CA1051700A; GB1539796A; JPS51138331A; FR2311341A1; DE2621097A1

Description

rv ,nriieeenuc Erfindung betrifft eine Einrichtung ^DlV°Sf Oberbegriff des Patentanspruchs 1. ^Sondere betrifft die Erfindung eine Weiterenlwickiner Ultraschallwellenstrahlungsanzeigevornch-^Ung hi der eine Ultraschallwellenverteilung an der Sache eines flexiblen Membran- oder Folienspei iS durch Ultraschallwellenenergie beschallt ist,

f h Pine Kathodenstrahlröhre wiedergegeben wird. ^dUp_Ch eine richtung ^ _{sichtbarniachung einer Ultra}.

ν!utrahlungsverteilung an der Oberfläche eines 10 ^SC * ten flexibler Membran- oder Folienspiegels ist beschall«« "««^g _{25 17 628 bekannt}. _Bei dieser

^be bildet der flexible Folienspiegel zusammen

gewobbelten starren Referenzspiegel ein eter, das zwei miteinander kohärente, inter- 15 ε Lichtkomponenten liefert. Durch die WahrnPhmung der maximalen ultraschallfrequenten PhasensnTrung des Strahlungsmusters in diesen beiden Sander kohärenten, interferierenden Lichtkompo-

Iten von denen die eine durch Reflexion an dem 20 Sobbelten starren Referenzspiegel und die andere "*h Reflexion von einem Fleck des flexiblen c lipnsoiegels gewonnen wird, erhält man ein AusisS das proportional der Amplitude des SSguSshubes des Fleckes des Folienspiegels ist um rf es zu erreichen, wird der starre Referenzspiegel feinem Hub, der größer als eine halbe Wellenlänge Je kohärenten Lichtes ist, und mit einer Frequenz, die wesentlich kleiner als die Frequenz der den Folienspie- «beschallenden Ultraschallstrahlung ist, gewobbelt nH rfie Amplitude der Auswanderungen des FolienspieäSumeta Vielfaches kleiner als die Lichtwellenlän- « Indem man den Fleck synchron mit dem Elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre rasterartig über die Fläche des Foliensp.egels ablenkt und gleichzeitig den Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre entsprechend den wahrgenommenen maximalen Phasenänderungen in der Intensität moduliert erhalt nian eine zweidimensionale sichtbare Anzeige der die FoJe öder Membrane beschallenden Ultraschallstrah-

'"¹BeTd?irvfähnten Offenlegungsschnft werden drei verschiedene typische Formen, die die Stralilungsvertei- £7 annehmen kann, in Betracht gezogen. Im simpelsten Falle ist die Strahlungsverteilung die eines Saschallwandlers, dessen Strahlungscharakteristik bestimmt werden soll. Bei einem etwas komplizierteren Fairhandelt es sich bei dem Wandler um einen en Wandler, dessen Strahlungseigenschaften s bekannt sind, und Strahlung vom Wandler wird irgendein zu untersuchendes akustisches Element beeinflußt, das zwischen dem Wandler und dem beschallten Folienspiegel angeordnet ist und die sShlungsverteilung ändert. Bei der kompliziertesten Anordnung, die in der erwähnten Offenlegungsschnft tesSen ist, wird entsprechend kollim.erte Ultraschallwellenenergie zur Beschallung einer zu untersuchenden Probe verwendet, die die Ultraschallwellenenergie an verschiedenen Punkten ihres Querschnitts _ve schieden dämpft. Durch Verwendung einer gee.gne- *o Jen akustischen Abbildungsoptik wird ein reelles Bild der räumlichen Verteilung der von der Probe durchgehen Ultraschallwellcncnergie als Strahlungsvertei-S"auf den beschallten flexiblen Fol.enspiegel ^ "^'"gewissen Proben ändern sich jedoch die Dampfungseigenschaften von Punkt zu Punkt des ^querschnitts nicht wesentlich. Viele solcher Proben haben jedoch immer noch eine detaillierte Struktur infolge von Änderungen der Phasengeschwindigkeitscharakteristik, d.h. infolge von Änderunger, des akustischen Brechungsindex. Diese detaillierte Struktur wird durch eine räumliche Verteilung von Ultraschallwellenenergie streuenden Punkten in der beschallten Probe definiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch dann noch verwendet werden kann, wenn der Querschnitt des Testobjekts zwar keine wesentlichen Dämpfungsänderungen sondern nur noch Brechungsindexänderungen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 unter Schutz gestellte Erfindung gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung werden streuende Punkte nutzbar gemacht, die sich durch Änderungen der Phasengeschwindigkeitseigenschaften und/oder Dämpfungseigenschaften von Punkt zu Punkt ergeben können, um ein projiziertes reelles Strahlungsmusterbild der Struktur einer Probe auf den beschallten Folienspiegel zu projizieren. Diese Strahlungsverteilung enthüllt aie detaillierte Struktur mit sowohl guter Auflösung als auch gutem Kontrast. Eine gute Auflösung und ein guter Kontrast ergeben sich bei der Einrichtung gemäß der Erfindung sogar dann, wenn die Dämpfungseigenschaften der Probe über deren ganzen Querschnitt praktisch gleichmäßig sind.

Es ist zwar aus der US-PS 37 11 823 eine Einrichtung zur Darstellung einer Ultraschallwellenverteilung bekannt geworden, bei welcher zwischen einem mit der Ultraschallstrahlung durchstrahlten Objekt und einem Folienspiegel in der Nähe, jedoch mit Abstand von letzterem ein Beugungsgitter für die Ultraschallwellen angeordnet ist. Durch dieses Beugungsgitter wird dem auf dem Folienspiegel entworfenen Ultraschallstrahlungsbild eine »Raumfrequenz« in Form eines Beugungsstreifenmusters überlagert. Diese Überlagerung hat jedoch in erster Linie die Aufgabe, im Interferometerteil der Einrichtung, welcher zur optischen Sichtbarmachung der Ultraschallwellenverteilung dient, eine Raumfilterung zu ermöglichen, durch die die vom Folienspiegel nur reflektierte Strahlung unterdrückt werden kann, so daß nur die am Folienspiegel infolge der durch die Beschallung erzeugten Unebenheiten gestreute Strahlung im optischen Interferometer wirksam wird.

Bei der Einrichtung gemäß de·· Erfindung sind Maßnahmen getroffen, um eine Interferenzfigur durch Interferenz zwischen dem Teil der auf das Objekt fallenden Ultraschallwellenenergie, der beim Durchlaufen des Objekts durch streuende Punkte in diesem gestreut wurde, und dem übrigen Teil der Ultraschallwellenenergie, der beim Durchlaufen des Objekts auf keine streuenden Punkte getroffen ist und daher nicht gestreut wurde, zu erzeugen. Um dies zu erreichen, wird bei der Erfindung die bekannte Tatsache nutzbar ,gemacht, daß die Phase einer gestreuten Ultraschallwelle, die ein streuendes Objekt durchlaufen hat, bezüglich der Phase einer ungestreuten Ultraschallwelle, die das Objekt durchlaufen hat, um einen Betrag verschoben ist, dereine ±90°-Komponenteenthält.Diese ±90°-Komponente überwiegt bei den meisten in der Praxis vorkommenden streuenden Objekten wegen der räumlichen Verteilung und der Größe der Bereiche unterschiedlichen Brechungsindizes im Objekt. Die gestreute und die ungestreute Ultraschallwellenenergie, die aus den Objekten austritt, sind also im wesentlichen

in Phasenquadratur (um 90° in der Phase verschoben) in Bezug aufeinander. Zwei um 90° in der Phase gegeneinander verschobene Schwingungskomponenten interferieren jedoch nicht miteinander. Es interferieren jedoch miteinander zwei Schwingungskomponenten, deren Phase sich zwischen einem gleichphasigen Zustand und einem um 180° in der Phase verschobenen Zustand ändert. Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung zwischen dem Objekt und dem flexiblen Folienspiegel vorgesehen, um die Phase des Bündels der ungestreuten Ultraschallwellenenergie um im wesentlichen ein ungerades Vielfaches von 90° bezüglich der gestreuten Ultraschallwellenenergie zu verschieben. Je nach dem, ob die ursprüngliche 90°-Phasenverschiebung zwischen der ungestreuten Ultraschallwelle und der gestreuten Ultraschallwelle positiv oder negativ ist, ergibt dann die algebraisch hinzuaddierte 90°-Phasenverschiebung zwischen der gestreuten Ultraschallwelle und der ungestreuten Ultraschallwelle eine Phasendifferenz zwischen 0° und 180°, was die Voraussetzung für eine Interferenz darstellt. Man erhält also dementsprechend auf dem beschallten flexiblen Spiegel eine Interferenzfigur.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigt

F i g. 1 einer bekannten Einrichtung zum Erzeugen einer sichtbaren Darstellung einer Ultraschallstrahlungsve:rteilung,

F i g. 2 ein Beispiel einer bekannten Vorrichtung zum Erzeugen und Weiterleiten einer Ultraschallwelle und zur Beschallung eines flexiblen Folienspiegels mit einem projizierten reellen Bild eines Objekts,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 4a Einzelheiten eines räumlichen Filters, das in der Einrichtung gemäß F i g. 4 verwendet wird und

F i g. 4b Einzelheiten einer Viertelwellenlängenplatte, die bei der Einrichtung gemäß F i g. 4 verwendet wird.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1, welche Fig. 1 der oben erwähnten Offenlegungsschrift entspricht, enthält einen Laser 100, der ein Bündel 102 kohärenten monochromatischen Lichts vorgegebener Wellenlänge emittiert. Das Lichtbündel 102 wird durch einen Bünddteiler 108 in zwei in bezug aufeinander kohärente Teilbündel 104 und 106 aufgespalten.

Das erste Teilbündel 104 wird von einem starren Referenzspiege! 110 zum Bündelteiler 108 reflektiert. Ein Teil des reflektierten ersten Teilbündels durchsetzt den Bündelteiler 108 und gelangt über einen Weg 112 zu einem Strahlungsfühler oder -wandler einer Spitzenphotodetektor- und Videosignalübertragungsanordnung 114.

Die in Lichtwellenlängen gemessene optische Länge des Weges, den das erste Teilbündel 104 bei seiner Rundreise zwischen dem Bündelteiler 108 und dem starren Referenzspiegel 110 durchläuft, wird mit einer vorgegebenen Frequenz, die wesentlich niedriger ist als die Ultraschallwellenfrequenz, um einen Betrag kontinuierlich geändert, der größer als eine halbe Wellenlänge des verwendeten Laserlichts ist. Die kontinuierliche Änderung der optischen Weglänge zwischen dem Bündelteiler 108 und dem starren Referenzspiegel 110 wird durch eine Wobbelvorrichtung bewirkt, bei der es sich um einen piezoelektrischen Vibrator oder einen Modulator mit einem elektrooptischen Kristall handeln kann. Solange die von Spitze zu Spitze gerechnete Schwingungsamplitude entweder des starren Referenzspiegels 110 selbst oder die in Wellenlängen gemessene optische Weglänge zwischen dem Bündelteiler 108 und ίο dem starren Referenzspiegel 110 mehr als ein Viertel der Wellenlänge des Laserlichts beträgt, überschreitet die Änderung der optischen Länge des Rundreiseweges zwischen dem Bündelteiler 108 und dem starren Referenzspiegel 110 den erforderlichen Betrag von einer halben Wellenlänge des Laserlichts.

Das zweite Teilbündel 106 wird nach Durchlaufen einer Ablenkungsoptik 118 von einem Fleck eines beschallten flexiblen Folienspiegels 120 reflektiert und gelangt durch die Ablenkungsoptik 118 zurück zum Bündelteiler 108. Die Ablenkungsoptik 108 kann unter Steuerung durch Horizontal- und Vertikalablenksignale von einem Horizontal- und Vertikalablenksteuersignalgenerator 128 dazu dienen, den reflektierten Fleck rasterartig über die Fläche des beschallten flexiblen Folienspiegels 120 abzulenken. Die Horizontal- und Vertikalablenksignale können ferner dazu dienen, einen Kathodenstrahl einer Kathodenstrahl-Bildröhre 126 in einem Raster synchron mit der Abtastung des flexiblen Folienspiegels 120 durch das zweite Lichtbündel 106 abzutasten.

Das sich längs des Weges 112 ausbreitende und auf den Strahlungsfühler der Anordnung 114 fallende Licht besteht auf alle Fälle aus einem Teil des vom gewobbelten starren Referenzspiegel 110 reflektierten ersten Teilbündels 104 und einem Teil des vom beschallten flexiblen Folienspiegel 120 reflektierter zweiten Teilbündels 106. Diese beiden Lichtkomponenten, die sich zusammen längs des Weges 112 ausbreiten und auf den Strahlungsfühler der Anordnung 114 fallen interferieren miteinander. Die momentane Amplitude des vom Strahlungsfühler der Anordnung 114 wahrge nommenen Lichts hängt daher, wie es aus dei Interferometertechnik bekannt ist, in jedem Augenblicl· von der jeweiligen Phasendifferenz der beiden einfallen den Lichtkomponenten ab.

Wie in der erwähnten Offenlegungsschrift in einzelnen beschrieben ist, liefert die Anordnung 114 eil Videoausgangssignal, das dauernd im wesentlichei proportional der Spitzenphasenänderung ist, die bei de Frequenz der den flexiblen Folienspiegel beschallende! Ultraschallwellenenergie auftritt, während der flexibl· Folienspiegel durch das zweite Teilbündel 106 abgera stert wird. Dieses Videoausgangssignal von de Anordnung 114 wird zur Intensitätsmodulation de Elektronenstrahls der Bildröhre 126 verwendet.

Durch die Bildröhre wird auf diese Weise ein Muste wiedergegeben, das der Ultraschallwellenenergiestrar lungsverteilung entspricht, mit der der flexible Folier spiegel 120 jeweils beschallt wird.

Wi Der Folienspiegel 120 ist in einer im folgenden kur als Ultraschalleinheit 122 bezeichneten Anordnun angeordnet, in der akustische Schwingungen erzeuf und zur Ausbreitung gebracht werden. Die Ultraschal einheit 122 kann so ausgebildet sein, wie es in Fig. <.'. dargestellt ist (welche F i g. 3c der erwähnten Offenl« gungsschrift entspricht).

Die Ultraschalleinheit 122 enthält einen Wandh 300c der in einem Gehäuse 302 angeordnet ist. Di

Gehäuse 302 ist mit einem Medium 304, in dem sich Ultraschallwellen ausbreiten können, gefüllt. Das Medium 304 ist normalerweise eine Flüssigkeit, z. B. Wasser. Der Wandler 300c wird durch Schwingungsenergie mit einer geeigneten Ultraschallfrequenz zwischen z. B. 0,5 und 10 MHz von einem Ultraschallschwingungsgenerator 306 gespeist. In dem Medium 304 befindet sich ferner der beschallte flexible Folienspiegel 120 des anhand von F i g. 1 beschriebenen Interferometers. Die vom Wandler 300c abgestrahlte Ultraschall- ι ο wellenenergie wird nach Kondensierung (Parallelrichtung) durch eine akustische Kondensoroptik 310 zum Beschallen eines Objekts, z. B. einer zu untersuchenden Probe 312 verwendet, bei der es sich um eine durch Biopsy gewonnene Gewebeprobe handeln kann. Im allgemeinen wird die zu untersuchende Probe 312 Dämpfungseigenschaften hinsichtlich der Ultraschallwellenenergie aufweisen, die sich von Punkt zu Punkt über den Querschnitt der Probe ändern. Die räumliche Verteilung der Ultraschallwellenenergie, die die zu untersuchende Probe 312 durchsetzt hat, stellt daher eine Ultraschallwellenverteilung dar, die strukturelle Einzelheiten der beschallten Probe 312 erkennen läßt. Durch eine akustische Abbildungsoptik 314 wird ein reelles Bild dieser Verteilung auf den dadurch beschallten flexiblen Folienspiegei 120 als räumliche Verteilung von Spitzenamplituden einer Ultraschallschwingung über den Oberflächenbereich des beschallten flexiblen Folienspiegels 120 projiziert. Dieses reelle Ultraschallwellenbild der Ultraschallwellenverteilung auf dem Oberflächenbereich des beschallten Folienspiegels 120 stellt die Strahlungsverteilung dar, deren sichtbares Bild durch die Bildröhre 126 (Fig. 1) wiedergegeben wird.

Die meisten Arten von Objekten, die die zu untersuchende Probe 312 bilden, haben in der Praxis eine Ultraschallwellendämpfungscharakteristik, die sich von Punkt zu Punkt über den Querschnitt der Probe ändert, es gibt jedoch Proben, die keine nennenswerten Unterschiede in den Dämpfungseigenschaften aufweisen.

Die inneren strukturellen Einzelheiten eines beschallten Objekts können jedoch auch durch Unterschiede im akustischen Brechungsindex (bzw. der Phasengeschwindigkeiten in bezug aufeinander) von Punkt zu Punkt « über den Querschnitt der Probe 112 anstatt oder zusätzlich durch die Unterschiede in den Dämpfungseigenschaften ermittelt werden. Solche Unterschiede von Punkt zu Punkt des Querschnittes der untersuchten Probe lassen streuende Punkte entstehen, gleichgültig ^o ob diese Unterschiede auf Änderungen des Brechungsindex, Änderungen der Dämpfungseigenschaften oder beiden beruhen.

Die Erfindung läßt sich bei allen Arten von Objekten, die Ultraschallwellen streuen, anwenden, unabhängig davon ob die Streuung dadurch verursacht wird, daß sich der akustische Brechungsindex oder die Dämpft-ngsergenschaften oder beide von Punkt zu Punkt ändern, sie eignet sich jedoch besonders für die Verwendung im Falle, daß die Streuung in erster Linie w) auf Unterschieden des akustischen Brechungsindex anstatt auf Unterschieden in den Dämpfungs- oder Absorptionseigenschaften beruht. Der Grund hierfür liegt darin, daß es die vorliegende Erfindung möglich macht, die detaillierte innere Struktur von Ultraschall- "^r' wellen streuenden Objekten, die relativ gleichmäßige Dämpfungseigenschaften jedoch einen sich von Punkt zu Punkt ändernden akustischen Brechungsindex haben, mit guter Auflösung und gutem Kontrast zu ermitteln. Ohne die Verwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung würde man bestenfalls einen Umriß der Einzelheiten solcher streuenden Objekte erhalten.

Fig.3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Einrichtung enthält ein Gehäuse 302 in dem sich ein Medium 304 befindet, in dem sich Ultraschallwellen ausbreiten können. Im Medium 304 eingetaucht sind eine Ultraschallwellenquelle 350, eine Kondensorlinse 352, ein streuendes Objekt 354, eine Objektlinse 356, eine Viertelwellenlängenplatte 358, eine Abbildungslinse 360 und der flexible Folienspiegel 120 in der dargestellten Anordnung und Orientierung angeordnet. Die Linsen 352, 356 und 360 können z. B. aus einem Kunststoff bestehen, in dem sich die Ultraschallwellen mit höherer Geschwindigkeit ausbreiten als in dem im Gehäuse 302 befindlichen Medium 304 (das Wasser sein kann). Im Gegensatz zu den üblicherweise bei lichtoptischen Linsen herrschenden Verhältnissen ist der Brechungsindex einer akustischen Linse also kleiner als der des umgebenden Ausbreitungsmediums. Aus diesem Grunde sind die akustischen Linsen 352, 356 und 360 nicht konvex sondern alle konkav.

Wie in F i g. 3 angegeben ist, hat die Objektlinse 356 eine Brennweite F\, die Abbildungslinse 360 eine Brennweite h und die Kondensorlinse 352 eine Brennweite /3. Die im wesentlichen auf der optischen Achse der Kondensorlinse 352, der Objektlinse 356 und der Abbildungslinse 360 und in der vorderen Brennebene der Kondensorlinse 352 angeordnete Ultraschallwellenquelle 350 ist eine im wesentlichen punktförmige Quelle, die ein divergentes Ultraschallwellenbündel 362 emittiert. Das divergente Bündel 362 wird durch die Kondensorlinse 352 in ein paralleles Bündel 364 mit einer ebenen Wellenfront umgewandelt.

Das parallele Bündel 364 fällt auf das streuende Objekt 354, das ein oder mehrere streuende Punkte, wie den streuenden Punkt 366 enthält. Jeder streuende Punkt, wie der Punkt 366, wirkt bei Beleuchtung durch das Ultraschallwellenbündel 364 als punktförmige Schwingungsquelle, die ein divergentes Ultraschallstrahlungsbündel 368 emittiert. Das ursprüngliche Bündel 362, 364 ist durch kurze gestrichelte Linien dargestellt, während das »Sekundärbündel«, das vom streuenden Punkt 366 ausgeht, durch eine längere Strichlierung begrenzt ist. Der Teil des auffallenden Ultraschallwellenbündels 364, der durch das streuende Objekt 354 nicht gestreut wird, breitet sich weiter als paralleles Bündel 370 aus, dessen Begrenzung wiedei durch eine kurze Strichlierung dargestellt ist. Wie au: der Beugungsoptik bekannt ist, differiert die zeitlich! Phase der gestreuten Welle im Bündel 368 von de zeitlichen Phase der ungestreuten Weile im Bündel 371 um entweder +90" oder —90°. Das streuende Objek 354 ist nicht nur in der hinteren Brennebene de Kondensorlinse 352, sondern auch in der vordere Brennebene der Objektlinse 356 angeordnet. Di Objektlinse 356 wandelt daher das gestreute divergent Ultraschallwellenbündel 368 in ein paralleles Bündel 37 (das durch lange Strichlierung dargestellt ist) und ferne wandelt sie das ungestreute parallele Ultraschallwellet bündel 370 in ein durch kurze Strichlierung dargestellt! konvergentes Bündel 374 um.

In der hinteren Brennebene der Objektlinse 356, c mit der vorderen Brennebene der Abbildungslinse 3 zusammenfällt, ist die Viertelwellenlängenplatte 3 angeordnet. Wie Fig. 3 zeigt, ist die Viertelwellcnli

709 550/.

genplatte 358, deren Querschnittsfläche im Vergleich zur Aperatur des Linsensystems ziemlich klein ist, im wesentlichen symmetrisch bezüglich der optischen Achse des Systems in der gemeinsamen Brennebene der Objektlinse 356 und Abbildungslinse 360 angeordnet. Die Vierteiwellenlängenplatte 358 hat eine vorgegebene Dicke und besteht aus einem Material, wie Polyäthylen, zwischen dessen Brechungsindex und dem Brechungsindex des Ausbreitungsmediums 304 ein bestirnter Unterschied besteht. Die Dicke ist so gewählt, daß jede Ultraschallwelle, die die Vierteiwellenlängenplatte 358 durchsetzt, in der Phase um eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen der Frequenz der Ultraschallwellen bezüglich der Ultraschallwellen, die an der Vierteiwellenlängenplatte 358 vorbeilaufen und eine der Dicke dieser Platte entsprechende Strecke im Ausbreitungsmedium 304 verlaufen, verschoben werden.

Wie ersichtlich, wird praktisch die ganze ungestreute

.. .^..ι.,w., η ι· «j pi aiMiovjii uie ganze ungestreute daher ein di

Ultraschallwellenenergie in das konvergierende Bündel 20 erzeugtes Bild.
374 fokussiert und durchläuft Hip v;«ft«i....»ii—1* —

.^.,W₆H, in uu Konvergierende bunde

374 fokussiert und durchläuft die Vierteiwellenlängenplatte. Von der gestreuten Ultraschallwellenenergie im parallelen Bündel 372 fällt dagegen nur ein verhältnismäßig kleiner Teil auf und durch die Vierteiwellenlängenplatte 358, da diese einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt im Vergleich zur Apertur des Systems hat. Da jedoch die zeitlichen Phasen der gestreuten und ungestreuten Ultraschallwellen ursprünglich um ±90° in bezug aufeinander verschoben waren, bewirkt die zwischen der Beschallung des flexiblen Folienspiegel 120 durch die gestreuten Ultraschallwellen und de Beschallung des flexiblen Folienspiegels 120 durch dii ungestreuten Ultraschallwellen zu unterscheiden. Dii Tatsache, daß sich die relative Phasenlage de; gestreuten und nicht gestreuten Ultraschallwellen, dii den flexiblen Folienspiegel 120 gleichzeitig beschallen wegen des Vorhandenseins der Viertelwellenlängen platte 358 zwischen dem gleichphasigen und dem uir 180° verschobenen, gegenphasigen Zustand ändert bedeutet jedoch, daß die die Oberfläche des flexibler Folienspiegels 120 beschallende Strahlungsverteilung eine Interferenzfigur nur in denjenigen Teilen dei Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120 bildet, aul is die gleichzeitig sowohl gestreute als auch ungestreute Ultraschallwellen auftreffen. Die räumliche Verteilung der Schwingungsamplitude des flexiblen Folienspiegels 120 von Punkt zu Punkt über seine Fläche manifestiert daher ein durch die gestreuten Ultraschallwellen

>o

In F1 g. 4 dargestellte zweite Ausführungsform der brfindung gewährleistet eine etwas bessere Auflösung und eine etwas bessere Ausnutzung der erzeugten Ultraschallwellenenergie als die Ausführungsform ge-

man κι σ "i

durch die Vierteiwellenlängenplatte eingeführT™^⁶ ™ ^Welle"[^ront· Vorzugsweise enthält die Ultraschallwelle Phasenverschiebung von 90° zwische^ den' ³° ^len£'.^uelle _p ⁴⁰⁰ ™ starre Platte relativ großer Fläche,die

liehe Phasenverschiebung von 90° zwischen den gestreuten und ungestreuten Ultraschallwellen, daß die ungestreuten Ultraschallwellen, die in einem divergen-

tpn Rlinrlel Ϊ7Λ <A~~ —II· J- · ■ - · - -

Die Einrichtung gemäß F i g. 4 enthält anstelle der in H g. 3 verwendeten punktförmigen Ultraschallwellenque Ie eine Quelle 400 für Ultraschallwellen mit ebener

Wellenfront. Vorzugsweise enthält die Ultraschallwelienniip Ip Ann <»;«« _· m... . - - _... . ,·

• J— — "^mlc · iaiic reiauvgrouer riacne,uic mit der Frequenz der Ultraschallwellen wie ein Kolben schwingt. Die eine ebene Ultraschallwelle liefernde Quelle 400 kann andererseits auch eine punktförmige

I I tracr>Koll...«ll ι, . . ^r. .

ten Bündel 376 (dargestellt durch kurze Strichlierunei im ^ »ⁿ ^andererse'ts auch eine punktförmige aus der Vierteiwellenlängenplatte 358 austreten bezfl? « ^^ltraschallwellenquelle enthalten, die in der vorderen lieh des überwiegenden Teiles der gestreuten Ultr-T η ™™ ^{C emer zusatzll}'chen Linse angeordnet ist, die schallwellen im parallelen Bündl 372 di ""^"^'cne divergente Bündel von der punktför-

wellenqull i i Büdl it ber

schallwellen im parallelen Bündel 372, die an der Viertelwellenlängenplatle 358 vorbeigelaufen sind entweder gleichphasig oder um 180° in der Pha^' verschoben sind.

Sowohl die gestreuten Ultraschallwellen im parallelen Bündel 372 als auch die nicht gestreuten ultraschallwellen im divergenten Bündel 376 fallen auf die Abbildungslinse 360. Da die Viertelwellenlängenplatte 358 in der vorderen Brennebene der Abbilduneslinse 360 angeordnet ist, wandelt diese Linse das divergente Bündel 376 aus den ungestreuten Ultraschallwellen in ein paralleles Bündel 378 (das durch eine

SÄ"? ^{dargeStellt ist) Und das} P^aralle'e Bündel j72 aus den gestreuten Ultraschallwellen in ein

konvergierendes Bündel 380 (dargestellt durch lange Str.chherung) um. Da außerdem der flexible Folienspiegel 120 in der h.nteren Brennebene der Abbildungslinse

360 angeordnet ist, werden die gestreuten Ultraschall- ΖΓΤ?" ^{Und können an} einem dünnen, im wellen im konvergierenden Bündel 380 auf einen Punkt « ^we _f ^sentlld;^en schalldurchlässigen Träger befestigt oder auf dem flexiblen Folienspiegel 120 fokussiert dessen «· ^Ir?[^e"^{deine and}ere Weise gelagert oder verbunden Lage der Lage des ursprünglichen streuenden Punktes An' ■ ^{S!e eine die} Ultraschallwellen durchlassende

366 ,m streuenden Objekt 354 entspricht. Der fiSe ⁰^""" '" ^D"~ ^J" ~ "

Foienspicgel 20 wird auf diese Weise mit gestreuter Ultraschallwcllcncnergie beschallt, deren räumliche Verteilung einem reellen Bild der räumlichen Verteilunc der streuenden Punkte des streuenden Objekts 354 entspricht. Gleichzeitig wird die ganze Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120 durch die nicht gestreuten Ultraschallwellen im parallelen Bündel 378 beschallt Ohne die durch die Vierteiwellenlängenplatte 358 bewirkte Phasenverschiebung um eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen wäre es nicht

ι Γι VVtIgCiIiC Dunaei von aer punxuui-

rnigen Ultraschallwellenquelle in ein Bündel mit ebener wellenfront umwandelt. Die Quelle 400 liefert jedenfalls ein paralleles Ultraschallwellenbündel 402, das auf ein «räumliches Filter 404 fällt, das in der vorderen Brennebene einer Kondensorlinse 406 angeordnet ist. wie in Fig.4a genauer dargestellt ist, enthält das räumliche Filter 404 einen Ring 408, der die Ultraschalles Ä" ^durchläßt· ^Der Rest des räumlichen Filters 404 Τ ^dagege" ²"mindest den größten Teil der auffallenden Ultraschallwellen zurück. Das räumliche Filter 404 Kann z. B aus zwei getrennten Teilen 410 und 412 aus einem schallabsorbierenden Material, wie Butylgummi,

«i hp^SH i¹ ·, ^{durch den Rin}S ⁴⁰S getrennt sind. Die so beiden Te.le 410 und 412 aus dem schallabsorbierenden

ab. J? ■ ^{en eine} ausreichende Dicke, um den grollten Teil der auffallenden Ultraschallwellen zu und können an einem dünnen,

in Form des Ringes 408 bilden. Die vom Ring - des räumlichen Filters 404 durchgelassenen Ultraschallwellen bilden ein Bündel 414, das auf die «»■Α"" n^SC ^m ^fallt· ^Die Kondensorlinse 406 wandelt das Bündel 414 in ein paralleles Bündel 416 um, das auf ein streuendes Objekt 418 fällt Pin ηκ i^{ndenSorlinse 4}^ ^das streuende Objekt 418, eine Objekthnse 420, eine Abbildungslinse 422 und der '^exiWe Fohenspiegel 120 sind hinsichtlich aller wesentlicher Gesichtspunkte ebenso angeordnet wie die entsprechenden Elemente (Kondensorlinse 352, Objekt J54. Ubjekthnse 356, Abbilduntrslinsi» l«i und Folien-

spiegel 120) der Einrichtung gemäß F i g. 3. Das Objekt 418 streut also an seinen streuenden Punkten, wie dem streuenden Punkt 424, einen Teil der auffallenden Ultraschallwellen und dabei entstehen divergente Ultraschallwellenbündel, wie das Bündel 426, das durch eine lange Strichlierung dargestellt ist. Das Bündel 426 aus den gestreuten Ultraschallwellen wird in der gleichen Weise, wie es in Verbindung mit Fig.3 beschrieben worden ist, durch die Objektlinse 420 in ein paralleles Bündel 428 und dann durch die Abbildungslinse 422 in ein konvergentes Bündel 430 umgewandelt. Das konvergierende Bündel 430 aus den gestreuten Ultraschallwellen wird in einen Punkt 432 auf dem flexiblen Folienspiegel 120 fokussiert. Genau wie der Punkt 432 auf der Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120 dem streuenden Punkt 424 des streuenden Objekts 418 entspricht, so liefern auch jeder und alle anderen streuenden Punkte des streuenden Objekts 418 entsprechende Bildpunkte auf der Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120.

Im Falle der Einrichtung gemäß F i g. 4 wird das durch kurze Strichlierung dargestellte parallele Bündel 434 aus den ungestreuten Schallwellen, das das Objekt 418 durchsetzt hat, durch die Objektlinse 420 in ein Bündel 436 fokussiert, das ein reelles Bild des Ringes 408 in der hinteren Brennebene der Objektlinse 420 bildet, welche mit der vorderen Brennebene der Abbildungslinse 422 zusammenfällt. Am Ort dieses reelen Bildes des Ringes 408 ist eine entsprechende ringförmige Viertelwellenlängenplatte 438 angeordnet, die in F i g. 4b in Draufsicht dargestellt ist. Die Viertelwellenlängenplatte 438 hat den Zweck, die Phase der nicht gestreuten Ultraschallwellen um eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen der Ultraschallwellen bezüglich des größten Teiles der gestreuten Ultraschallwellen in der gleichen Weise zu verschieben, wie es in Verbindung mit F i g. 3 im einzelnen erläutert worden war.

Die als divergentes Bündel aus der einen ringförmigen Bereich einnehmenden Viertelwellenlängenplatte 438 austretenden ungestreuten Ultraschallwellen werden durch die Abbildungslinse 422 zu einem parallelen Bündel 442 umgeformt. Die ungestreuten Ultraschallwellen im Bündel 442 fallen auf die Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120 und interferieren dort mit den auf die Oberfläche des flexiblen Folienspiegels 120 abgebildeten gestreuten Ultraschallwellen in der gleichen Weise, wie es in Verbindung mit F i g- 3 erläutert worden war, das die ungestreuten und die gestreuten Ultraschallwellen entweder phasengleich oder in bezug aufeinander in der Phase um 180° verschoben sind.

Die Einrichtung gemäß Fig.4 hat der Einrichtung gemäß F i g. 3 gegenüber den Vorteil, daß ein größerer Teil der von der Ultraschallwellenquelle emittierten Ultraschallwellenenergie innerhalb der Apertur des Systems verbleibt. Außerdem kann man die Querschnittsfläche der einen ringförmigen Bereich einnehmenden Viertelwellenlängenplatte, die bei Fig.4 verwendet wird, insgesamt wesentlich größer machen als die verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche der bei Fig.3 verwendeten Viertelwellenlängenplatte 358. Bei der Einrichtung gemäß F i g. 4 läßt sich daher ein höheres Auflösungsvermögen in der auf den flexiblen Folienspiegel 120 abgebildeten Strahlungsverteilung erzielen als bei der Einrichtung gemäß F i g. 3.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Darstellung einer Ultraschallwellenverteilung entsprechend der Struktur eines Objekts, das Ultraschallwellen streuende Stellen enthält, mit einer eine Quelle für Ultraschallwellen vorgegebener Wellenfront enthaltenden Anordnung zum Beschallen des an einem Objektort in einem die Ultraschallwellen leitenden Medium angeordneten Objekts, ferner mit einer im Abstand vom Objektort im Medium angeordneten flexiblen Folie, die durch vom Objekt beeinflußte Ultraschallwellen beschallbar ist, und einer Vorrichtung zum Darstellen der sich auf der flexiblen Folie dabei ergebenden Ultraschallwellenverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Bündel ungestreuter Ultraschallwellen (370, 374; 434, 436) und gestreute Ultraschallwellen (368,372; 426,428), die von den streuenden Stellen (366, 424) des Objekts (354, 418) ausgehen, liefert, und daß zwischen dem Objektort und der flexiblen Folie (120) eine Phasenverschiebungsvorrichtung (420, 422, 438; 356, 358, 36») angeordnet ist, die die Ultraschallwellen im ungestreuten Bündel um ein ungerades Vielfaches von 90° bezüglich den gestreuten Ultraschallwellen derart verschiebt, daß sich die Intensitätsverteilung der die flexible Folie beschallenden Ultraschallwellen durch algebraische Addition der phasenverschobenen ungestreuten Ultraschallwellen und der gestreuten Ultraschallwellen ergibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungsvorrichtung eine akustische Linsenanerdnung (356, 360; 420, 422), die zwischen dem Objektort (354,418) und der flexiblen Folien (120) im Wege sowohl des Bündels (370, 374, 376; 434, 436, 440) der ungestreuten Ultraschallwellen als auch der gestreuten Ultraschallwellen (368, 372) derart angeordnet ist, daß lediglich die ungestreuten Ultraschallwellen in eine vorgegebene Ebene zwischen, dem Objektort und der flexiblen Folie fokussiert werden und lediglich die gestreuten Ultraschallwellen auf die flexible Folie fokussiert werden, und eine akustische Viertelwellenlängenplatte (358, 438) für die Frequenz der Ultraschallwellen enthält, die in der genannten Ebene im wesentlichen dort angeordnet ist, wo die ungestreuten Ultraschallwellen fokussiert werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultra.schallwellenquelle (350, 352; 400,404,406) Ultraschallwellen (364,416) mit ebener Wellenfront liefert und daß die akustische Linsenanordnung eine Objektlinse (356, 420) sowie eine Abbildungslinse (360,422) enthält, wobei die vordere Brennebene der Objektlinse im wesentlichen mit dem Objektort, die hintere Brennebene der Objektlinse und die vordere Brennebene der Abbildungslinse im wesentlichen mit der die Viertelwellenlängenplatte enthaltenden Ebene, und die hintere Brennebene der Abbildungslinse mit der flexiblen Folie zusammenfallen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellenquelle eine Kondensorlinse (352) und eine wenigstens annähernd punktförmige Ultraschallwellenerzeugungsvorrichtung (350) enthält, die im wesentlichen in der vorderen Brennebene der Kondensorlinse (352) angeordnet ist und daß die hintere Brennebene der Kondensorlinse im wesentlichen mit dem Objektort /354Λ zusammenfällt, so daß das ungestreute I Iltraschallwellenbündel in einen fleckttrmigen . Bereich in der die Viertelwellenlängenplatte (358) enthaltenden Ebene abgebildet wird.

5 Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt der Viertelwellenlän-Ln Dlat'te (358) im wesentlichen mit der Größe des

fleckförmigen Bildes in der genannten Ebene zusammenfällt.

6 Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennyeichnet, daß die Ultraschallwellenquelle eine Kondensorlinse mit vorderer und hinterer Brennebene, ein räumliches akustisches Filter, in dem sich ein Ring (408), der einen räumlichen Durchlaßbereich für Ultraschallwellen bildet, befindet, und eine Vorrichtung (400) zum Beschallen des räumlichen Filters (404) mit Ultraschallwellen der vorgegebenen Fr-auenz und ebener Wellenfront enthält, wobei das räumliche Filter (404) im wesentlichen in der vorderen Brennebene der Kondensorlinse (406) angeordnet ist, die hintere Brennebene der Kondensorlinse im wesentlichen mit dem Objektort (418) zusammenfällt und das Bündel (434) ungestreuter Uliraschallwellen in ein ringtörmiges Bild in der die Viertelwellenlängenplatte (438) enthaltenden Ebene fokussiert wird.

7 Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Vierteiwellenlängenplatte (438) einen ringförmigen Querschnitt im wesentlichen der gleichen Form und Größe wie das in der genannten Ebene erzeugte Bild hat.

8 Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (120) als Spiegel ausgebildet ist; daß die Darstellungsvorrichtung eine Kathodenstrahlröhre und eine Detektoranordnung enthält, die auf eine Beleuchtung mit zwei Komponenten kohärenten Lichtes vorgegebener Lichtwellenlänge anspricht und ein zur Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls der Kathodenstrahlröhre dienendes Ausgangssignal liefert das im wesentlichen proportional der Spitzenphasenänderung der vorgegebenen Frequenz in den miteinander interferierenden beiden Lichtkomponenten ist; daß die Darstellungsvorrichtung ferner ein Interferometer mit einem starren Referenzspieeel zum Reflektieren der ersten Lichtkomponente und den Folienspiegel zum Reflektieren der zweiten Lichtkomponente von einem Fleck des Fohenspiegels enthält, wobei die optische Länge des Rundreiseweges der vom starren Rcferenzspiegel reflektierten ersten Lichtkomponente mit einer vorgegebenen Wobbeifrequenz um einen Betrag

gewobbeit wird, der größer als eine halbe Wellenlänge des kohärenten Lichtes ist, wobei die Wobbelfrequenz wesentlich niedriger ist als die Ultraschallwellenfrequenz, und daß die von dem Fleck des Folienspiegels reflektierte zweite Lichtkomponente sowie der Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre über die Oberfläche des Folienspiegels bzw. den Bildschirm der Kathodenstrahlröhre synchron •»!«•inander derart abgelenkt werden, daß die Kathodenstrahlröhre die Strahlungsverteilung darstellt, die durch den beschallten Folienspiegel als Ultra'schallwellenintensitätsverteilung manifestiert wird.