DE1572579A1

DE1572579A1 - Ultraschall-Holographie

Info

Publication number: DE1572579A1
Application number: DE1967B0093774
Authority: DE
Inventors: Brenden Byron Byrne; Hoegger David Richard; Curtain Howard Roy
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1966-08-03
Filing date: 1967-08-02
Publication date: 1970-02-19
Also published as: SE319023B; SE330785B; GB1194543A; NL6710663A; CH477712A; NO124226B; DE1572579B2; DE1572580A1; DK137818C; US3879989A; DE1572579C3; NL6710664A; CH492996A; SE318127B; BE702199A; GB1194544A; NO124225B; CA930585A; NL6710662A; BE702200A

Description

Die Erfindung bezieh:: sx-nh auf UitraschaL!-Abbildung durch Wellenfront-Rekonstruktion. Insbesonaere bezieht sie sich auf uie iimeujang von urei-uimeiidionalen Bildern unter Herstellung eines Hologramip.es üineö Gegenstandes mitteis Ultraschallenergie und Rekonstruktion ein-aj drei-dimensionaien Bildes ues Gegenstandes von dem Hologramm.

Ultraschall wird fir zerstör.m7sfreies Inspizieren von Metallplatten und Rohren auf Fehler, für aas Studium der elastischen Eigenschaften von Materialien und die Untersuchung von biologischen Proben verwendet. 3ex den meisten Ultraschall verwendenden Arbeiten handelt es sich um aie Benutzung von Puls-Echo-Techniken, und als solche erzeugen sie ein ein-dimensionales Muster, dessen richtige De .rung beträchtliche arfahrunj erfordert. Verschiedene Verfahren der Ultraschallwiedergabe sind entwickelt worden, aber keines ist in weitverbreiteter Anwendung entweder infolge zu hoher Kosten, niedriger Abtastgeschwindigkeit, niedrigem Auflösungsvermögen und geringer Empfänglichkeit, oder infoige anderer innewohnender Beschränkungen.

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UßUQ Unterlagen ΙΑΛ l %. l Abs. 2 Nr. I äau J das Ände<un_Uöge». ν. 4,9-18529

VielLenfroritrekoi.atruktion unter Verwendung kohärenter Strahlung ist im einzelnen beschrieben in den deutschon Patentanmelaunjen b 81 5ϋ4 IXa/42h,33 und B 69 520 IXa/ün.

Daa Holografie- o-uor WeI Lenf Vörfdhren umfasst m seiner uinfacnaLen i'oria aas Richten eines ersten Strahles r.onärenten Li cn tea auf einen He jer..,tand and die Anordnung eines Detektors (gewöhnlich einer futografijchon PLdtte) zum ^impfung aes vor. äera 'Jegenstana aufstrahlenden Lichces. Em zweiter Lichtstrahl., aor »:oiiärent m juzirj auf -ian ersten Strahl ist, wird unter einem ausgewählten Winkel in Bezu.-j auf Jas von eiern Ge ienitai.u ausgebende Li'jht aur den Detektor gerichtet, wobei das Licnu vom Geqenstanu aiii aas Licht aes zweiten Strahles (ein ;<aferenzstrahl. genannt.) tun Muster von Interferenzstreifen a.-a Deiektor bildet, das vom Detektor aufgezeichnet wir-i. Dies Muster von Interf er en ζ streifen (oin liaben-der-Ächse Hologramm aenai^ntj r.ann dann rekonstruiert were ion, um ein drei-dixensionaias wirkliches riild ouer ein virtuelles Bild aes ursprünglichen Gegenstandes zu erzeugen. Die riekonstruktion finaet statt, wenn das lieben-der-Äcnso Hologramm mit kohärentem Licht beleuchtet wiru (bei einigen V^rfanren der Hologrammbi]dunj wird die Rekonstruktion mit inkohärentem Licht erreicht). Wirkliche und virtuelle Bilder können Auf-Achse oder Neben-aer-Achse in Bezug auf das Keben-der-Achse Hologramm rekonstruiert werden in Abhängigkeit von der Wahl des Winkels für das das Hologramm beleuchtende Licht. Wenn das Neben-der-Achse Hologramm mit kohärentem Licht rekonstruiert wird, ist es möglich, die Grosse der Bilder zu ändern durch Rekonstruktion mit einer Wellenlänge des Lichts (oder Strahlung), die unterschiedlich ist von dem Liehr., da3 oei dem aas Hologramm bildenden Schritt verwendet wurde. Das Welienfrontrekonstruktionsverfahren ist nicht auf sichtbares Licht beschränkt, aa man Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, ultraviolette, sichtbare, infrarote,

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und Mikrowellen Strahlung, d.h. das gesamte elektromagnetische Spektrum, verwenden kann. Obgleich Ultraschall ein anderes Wellenphänomen als elektromagnetische Wellen darstellt, wird gemäss der Erfindung Ultraschallenergie verwendet, um Bilder herzusLeJlen, die auf den Prinzipien der Wellenfrontrekonstruktion basiert sind.

Dementsprechend sind Ziele oder Merkmale dieser Erfindung» die Erzeugung von Bildern durch Bildung eines HoIogrammes mittels Ultraschallenergie und durch Rekonstruktion λ eines sichtbaren drei-dimensionalen Bildes von dem UItraschallhologramm; die Schaffung eines Verfahrens und eines Apparates für Verwendung bei, einschliesslich aber nicht beschränkt auf, störungsfreien Testen, meteorologischer Forschung und medizinischer Forschung und Diagnostik; die Schaffung von Mitteln zur Aufzeichnung des flüchtigen Ultraschallhologramms als eine dauernde Aufzeichnung; die Schaffung von Kitteln zum Auffinden des Ultraschallinterferenzmusters, um ein Ultraschallhologramm zu bilden; und die Rekonstruktion des Uitraschallhologrammes zur Erzeugung eines sichtbaren, verwendbaren Bildes.

Kurz gesagt umfasst die Erfindung zwei Ultraschallstrahlen in einem flüssigen Medium, die in ungefähr dem glei- \ chen Bereich auf die Oberfläche des Mediums auftreffen, wobei die Oberfläche eine Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, eine Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und Luft oder ein spezialisierter Detektor sein kann. Ein Gegenstand wird in einem der Ultraschallstrahlen angeordnet, sodass der Ultraschallstrahl durch den Gegenstand modifiziert wird, um einen Ultraschall Gegenstand-tragenden Strahl zu erzeugen. Der unmodifizierte Strahl, der den Referenzstrahl darstellt, interferiert mit dem Gegenstand-tragenden Strahl unter Erzeugung eines Musters von stehenden Wellen (ausser im Falle von ge-

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wissen im folgenden beschriebenen Detektoren) an der Oberfläche des flüssigen Mediums. Das Muster stehender Wellen iat eine Art von vergehenden oder flüchtigem Hologramm und wird mit Licht rekonstruiert, um ein sichtbares drei-dimensionales Bild des Gegenstandes zu erzeugen.

Das für die Rekonstruktion des Hologramms verwendete Licht braucht nicht kohärentes Licht zu sein, obgleich kohärentes Licht (wie das Licht von einem Laser) zufriedenstellend ist. Die Anforderungen an die spektrale Reinheit des Lichtes sind nicht .gross. Ungefiltertes Licht von einer gewöhnlichen Glühbirne, das durch ein Lade!loch hindurchtritt ist auch eine zufriedenstellende Lichtquelle. Man könn'e somit nagen, dass das Licht wirklich inkohärent oder, im äussersten Falle, guasi-Kohärent ist.

Viele i'aterialien, die für Licht vollkommen undurchsichtig sind, sind in verschiedenen Graden für Ultraschall durchsichtig. Infolgedessen besteht ein Vorteil der Erfindung darin, dass es möglich ist, die innere Struktur von verschiedenen Materialien und Gegenständen zu untersuchen, ohne sie zu zerstören.

Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein Diagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens und eines Apparates zur Erzeugung eines Bildes mittels Ultraschall-Holographiej

Fig. 2 ein Diagramm eines Verfahrens und eines Apparates zur Aufzeichnung eines Ultraschall-Hologramms;

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Fig. 3 ein Diagramm einer anueren Ausbildungsform eines Verfahrens und eines Apparates zum Aufzeichnen eines Ultraschail-Hologrammes;

Fig. 4 ein Diagramm einas Verfahrens und eines Appa rates zur Rekonstruktion eines aufgezeichneten Ultraschail-Hologrammes;

Fig. 5 ein Diagramm eines Verfahrens und eines Appa rates zur direkten Betrachtung des Ultraschali-Hologrammes;

Fig. 6 ein Diagramm einer weiteren Äusführungsform eines Verfahrens und Apparates zur Erzeugung eines Bildes mittels Ultraschai-i-Holographie;

Fig. 7 eine Darstellung eines Apparates zum Auffinden eines Ultraschall-Interferenzmusters, um ein Ultraschall-Hologramm zu erzeugen.

Fig. 8 eine Darstellung einer anderen Ausbildungsform eines Apparates zur Auffindung eines Ultraschail-Interferenzmusters, um ein Ultraschall-Hologramm zu erzeugen;

Fig. 9 eine Darstellung noch einer weiteren Ausbildungsform eines Apparates zur Aufdeckung eines Ultraschall-Interferenzmusters, um ein Ultraschall-Hologramm zu erzeugen;

Fig. 10 ein Diagramm eines Verfahrens und eines Apparates zur Verwendung des Detektors der Fig. 7 und 8; und

Fig. 11 ist ein Diagramm eines Verfahrens und eines Apparates zur Verwendung des Detektors gemäss Fig. 9.

In den Zeichnungen sind die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile in allen Ausführungsformen verwendet, und solche entsprechend numerierten Teile sind im wesentlichen

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identisch in Struktur, Funktion und Operation. Zur Vermeidung verwirrender Wiederholung werden daher diese Teile, ihr-a Beziehungen zueinander und ihra Funktionen nur in Verbindung mit einem einzigen Ausführungebeis ιοί beschrieben werden, wobei solche Beschreibung auf alle Aasführungsbeispiele, in denen aiQse Teile erscheinen, zutrifft.

Fig. I zeigt eine verhältnismässig vereinfachte Anoranung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung von Ultraschall-Holographie, Vorzugsweise sind zwei Ultrascnai1-Wandler il und 12 in einem flüssigen Meuium 15 angeordnet and ein erster Ultraschal^energie-Strahl 17 wird auf die Flüssigkeits-Luft-Trennflache 19 (die Obernäche des flüssigen Mediums 15) gerichtet. Kin zweiter Ultraschal!energie Strahl 2i wira auch auf die Trennfläche 19 gerichtet, cjodass die beiden strahlen 17 und ίϊ sich gegenseitig überdecken, wenn sie sich an der Zwiachenfiäche i9 treffen. Der Gegenstand λ3_# aer für die Aooildunj ausgewählt ist, wird in einen der Strahier 17 oder 21 angeordnet. Ist der gegenstand 23 erst einmai in einem der Strahlen 1/ oder 21 angeordnet, so wird der betreffende Strahl durcn die Struktur des Gegenstandes 23 modifiziert. In dem Diagramm der Fig. 1 ist der Gegenstand 23 in dem Ultraschall-Strahl 21 durch geeignete (nicht

ψ dargestellte) Mittel angeordnet und erzeugt einen Gegenstandtragenden Strahl 25, und der unmodifizierte Ultraschall-Strahl 17 ist der Referenzstrahl. Die beiden Ultraschall-Strahlen i7 und 25 interferieren an der Grenzfläche 19, um em stehendes Wellenmuster oder Hologramm 27 zu erzeugen.

Das oevorzugte Verfahren der Erzeugung aes Hologrammes 27 ist die Verwendung von zwei getrennten Wandlern zur Erzeugung der Strahlen 17 una 2-. Es ist jedoch möglich, das Hologramm 27 mittels nur eines Wandlers unter Ersatz eines der Wandler, z.B. des Wandlers 13, durch einen Uitraschail-Refiektor zu erzeugen. Der Strahl 17 wird dann von der Grenzfläche zu dem

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an αβί Steile aes Wandlers 13 angeoruneten Ultraschali-rtefiektor unü uurch aer. Gegenstand 23 ref .er ti er ι, um einen Gegenstana-i:ragenden strahl zu erzeugen, der mit uem Strahl 17 zur Hijuuntj eines ho . ο jramn.s 2/ interferiert.

rhi. anderer zu neacntenuer und aus den Zeichnungen nicht offenbarter Faktor ist aiο Kraftquelle für die Wandler L·. und J3. Beide Wandler können an uie selbe Kraftquelle angesoiilcssen werden, in welchem Fa-Le die Frequenz, die Phase und die Stärke der Strahlen 17 una 'M im wesentlichen gleich. | sein weiden. Das Kola/ramm 21 wird etwas verbessert, wenn der B-izuasstrahi 17 etwas geringere Intensität als der andere Strahl 21 aufweist. Dies wild entweder erreicht uarch Anordnung eines übschwäcners ("attenuator") in cue Schaltung des Bezugsstrahlwanulers 11 oder durch Benutzung eines getrennten Signalerzeugers. In jedem Falle werden die beiuen Strahlen im wesentlichen in Phase gehalten. Die Grosse uer gewünschten Abschwächung hängt von den für die Verwendung benutzten Wandlern und der Katur des Gegenstandes ab. Obgleich es gewöhnlich wünschenswert ist, dass beide Strahlen identische Frequenzen und Phasenbeziehung haben, können gute Hologramme erzeugt werden, selust wenn eine kleine Fehl-Anpassung in Bezug auf die Frequenzen der Strahlen 17 und 21 vorliegt. "

Wenn das flüssige Medium 15 in einem Tank eingeschlossen ist (wie in folgenden Figuren gezeigt), kann etwas Oberflächenstörung auftreten, falls die Grosse des Tanks verhältnismässig klein ist. Ein Verfahren zur Verringerung der unerwünschten Wirkungen von Oberflächenstörungen besteht in der Einbeziehung eines Impulserzeugers mit dem Signalerzeuger und in der Pulsierung des Wandlers, um das Hologramm 27 während kurzer Zeitspanne zu erzeugen. Das pulsierte Hologramm wird dann fotografiert oder betrachtet (wenn die Zeit zwischen Impulsen kurz ge-

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nug ist, damit die retinale Trägheit des Auges den Eindruck gibt, dass das Hologramm niemals verschwindet). Andere Verfahren der Verminderung von Oberflächenstörungen bestehen in der Vorsehung von spezialisierten Detektoren (Fig. 7,8 und 9), der Vorsehung einer dämpfenden Wirkung durch Verwendung von zwei flüssigen Medien (Fig. 6) oder in der Bedeckung der Oberfläche des flüssigen Mediums mit einer dünnen Lage eines zweiten flüssigen Mediums, das einen dämpfenden Effekt hat, wie z.B. Öl auf Wasser (nicht dargestellt.)

Das Hologramm 27 wird durch Erleuchtung des HoIogrammes 27 mit einem Strahl 29 eines Lichtes von einer Lichtquelle 31 rekonstruiert. Das Hologramm 27 beugt den Lichtstrahl 29 in zwei Erste-Ordnung Beugungsstrahlen 33 und 35, von denen jeder ein Bild 37 des Gegenstandes 23 trägt (nur ein Bild 37 ist in Fig. 1 dargestellt). Ein Null-Ordnung Strahl ist auch vorhanden (in Fig. 1 nicht dargestellt). Die Lichtquelle 31 braucht nicht mehr kohärent zu sein als ein durch eine gewöhnliche Glühbirne erleuchtetes Nadelloch. Ein halbversilberter Spiegel wirkt als ötrahlspalter 39, um den erleuchtenden Strahl 29 auf das Hologramm 27 zu richten und die gebeugten Strahlen 33 und 35 von dem beleuchtenden Strahl 29 zu trennen. Die Trennung der gebeug-" ten Strahlen 33 und 35 ist so gezeigt, dass sie in Fig. 1 aus Bequemlichkeitsgründen einen beträchtlichen Winkel einschliessen. Tatsächlich ist dies gewöhnlich nicht der Fall, und es sind infolgedessen zusätzliche Schritte notwendig, wie in folgenden Figuren dargestellt, um das Bild 37 zu betrachten.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren und einen Apparat zur Aufzeichnung des Ultraschall-Hologrammes 27 füyhachfolgende Rekonstruktion. Ein Tank 41 ist vorgesehen, um das flüssige Medium 15 zu halten. Das UItraschall-Hologramm 27 wird in der gleichen Weise wie in Fig. 1 erzeugt und dann mit einem Lichtstrahl 43 von einer Lichtquelle 45 erleuchtet, der überhaupt nicht kohärent

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zu sein braucht. Das Bild des Ultraschal L-Hologrammes 27 wird von der Reflexion im Strahlspalter 39 durch eine Kamera 47 aufgezeichnet, nachdem es durch die Linse 49 in Fokus gebracht ist. Das aufgezeichnete Hologramm ist in der Form eines Transparents ("transparency") unu wird vorzugsweise in Grosse um ungefähr vierzig MaL reduziert, um eine feinere Linienstruktur als die des flüchtigen Hologrammes 27 zu erzeugen.

Ein anderes Verfahren der Aufzeichnung des Ultraschall -Hologrammes 27 ist in Fig. 3 /ardriscnaulicht. ame Lichtguelle 31 (wie die in Fig. 1 beschriebene) schickt einen beleuchtenden Strahl 29 durch den Strahlspalter 39 zum Hologramm 27. Die gebeugten Erste-Ordnung Strahlen 33 und 35 und der Null-Ordnung Strahl 51 werden auf eine Linse 49 reflektiett, die alle die Strahlen 33, 35 und 51 (die einander überlappen) auf einen Fokuspunkt an einem Filter 53 bringt. Der Null-Ordnung Strahl 51 wird abgeblendet und den Erste-Ordnung Strahlan 33 und 35 wird gestattet, die Blockierung oder den Filter 53 zu einem fotografischen Film 55 zu passieren, und sie werden vorzugsweise als ein Transpartant 55* aufgezeichnet.

Das Hologramm-Transparent 55', das wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt gestaltet ist, wird rekonstruiert durch seine Anordnung in einem beleuchtenden Strahl 29* von einer Lichtguelle 31*, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wiederum braucht die Lichtquelle 31* nicht kohärenter zu sein als das Licht einer gewöhnlichen Glühlampe, das uurch em Nadelloch hindurchtritt. Das Hoiogramm-Transparent 55' beujt den beleuchtenden Strahl 29* in zwei Erste-Ordnung Strahlen 33 una 35. Die zwei Erste-Ordnung Strahlen 33 and 35 und aar ungebeugte Null-Ordnung Strahl 51 werden zu einem Punktfoku.-s am Filter 53* gebracht. Der Filter 53* ausblockiert einen der Erste-Ordnung Strahlen (im Diagramm der Fig. 4 ist der Strahl 33 blockiert) und den

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.-Ordnung Strahl 51. Das Bild des Ersta-Ordnung Strahles (Strahl 35 in Fig. 4) wird durch die Betrachtungslinsen 59 angeschaut.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren der Betrachtung des Bildes des Gegenstandes 23 direkt von dem flüchtigen Ultraschali-Hologramm 27, Das Hologramm 27, das in der vorhur erörterten Weise (wie in Fig. 1) erzeugt ist, wird durch einen Lichtstrahl 29 von einer Lichtquelle 31 (wie die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene) beleuchtet. Die gebeugten Strahlen 33 und 35 und ™ der Null-Ordnung Strahl 51 weraan durch den Strahlspalter 39 zu einer Linse 49 reflektiert und zu einem PunKitfokus am Filter 53' gebracht. Der Filier 53* blockiert alle ausser einem Krste-Ordnung Strahl 35 ab und das 3iid wird direkt mit den 3eträchtungslinsen 59 (vorzugsweise in Form eines Telekops) angescnaut.

Eine Flüssigkeit-zu-Fiü3sigkeit Grenzfläche 19' kann auch verwendet werden, um das Ultraschall-Hologramm, wie in Fig. 6 dargestellt, zu erzeugen. Der Wandler 11 ist in der ersten Flüssigkeit 15 (oder Flüssigkeit A) angeordnet und erzeugt in diesem Fall einen Ultraschall-Strahl 21, der durch den Gegenstand 23 übertragen wird, um den Gegenstand-tragenden Strahl 25 zu bilden. Der Wandler 13 (der auch wie in den Fig. 1,2,3 oder 5 in der ersten Flüssigkeit mit Wandler 11 angeordnet sein Könnte) wird in einer zweiten Flüssigkeit 15' (ooer Flüssigkeit B) angeordnet, die weniger dicht als die erste Flüssigkeit 15 und unvermischbar mit derselben ist. Wandler 13 erzeugt aen Bezugsstrahl 17, der zur Interferenz mit aeoi Gegenstand-tragenden Strahl 25 an aer Grenzfläche i9' zwischen aen Flüssigkeiten 15 und 15' gerichtet ist. Das Interferenzmuster aer Ultraschall Strahlen 17 und 25 bildet das Hologramm 27. In ähnlicher Weise könnte der Wandler 11 in der zweiten Flüssigkeit 15' mit dem

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zweiten Wandler 13 angeordnet 3«in, so dass beide Strahlen von Ultraschall-Energie in dem zweiten flüssigen Medium erhalten weruen. Fiu. 6 zeigt aucli eine kräfteausgleichende Anordnung, worin der itezugsstrahl ι 7 von der Grenzfläche 19' zu eine;n Ultraschall-Reixektor bl reflektiert und zur Grenzfläche 19' zurückreflektiert wiro. Der Gegenstand-tragende Strahl 25 wird auch von der Grenzfläche 19' zu einem Ultraschall-Reflektor 63 reflektiert unu zur Zwischenflache 19' zurückreflektiert. aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass der Wandler gegen oen Reflektor 63 in Fig. 6 ausgewechselt werden kann, um beide Wandler in der ersten Flüssigkeit 15 (Flüssigkeit A) anzuordnen, oder dass der Wandler IL und der Reflektor 61 ausgewechselt werden können, um beide Wandler m der zweiten Flüssigkeit 15' (Flüssigkeit B) unterzubringen.

Das Hologramm 2 7 der Fig. 6 kann (wie in den Fig. δ und 3) aufgezeichnet oder (wie in Fig. 5) direkt betrachtet werden, jedoch treten unerwünschte Reflexionen von Oberfläche 65 der Flüssigkeit 15' auf. Um solche Reriexiorcn zu beseitigen, ist ein Ffgstf* 67 aus geeignetem Material, wie Glas, in cer Flüssigkeit^65 mit leichter Neigung angeordnet. Der beleuchtende Strahl k,9 (oder 43) wird durch den Strahlspalter oder -teiler 39, das Fenster 27 und die Flüssigkeit 15* zum Hologramm 27 geschickt. Ein Bildstrahl 69 wird von dem Strahlspalter 39 reflektiert und kann fotografiert, gefiltert und aufgezeichnet oder direkt, wie vorher beschrieben, betrachtet werden. Zwei typische Flüssigkeiten sind "Freon" als Flüssigkeit 15 und Wasser als Flüssigkeit 15'.

Fig. 7 zeigt Apparatur zur Isolierung des Ultraschall -Hologrammes 27 von dbr Fläche 19 des flüssigen Mediums. Der Detektor 71 umfasst einen Rahmen 73, der in die Flüssigkeitsfläche 19 oder 75 eintauchbar ist. Ein durchsichtiges Fenster 77,

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wie Glas, ist innerhalb des Rahmens 73 angeordnet unter Beiassurij einer Vertiefung /9 an'.erhaib ues Fensters 77. Ein Fj üssigkej tsfκπ 81, wie i>,, wird <ier Vertiefung 79 durch eine uffnung Ö3 im Rahmen /3 zujeiührt. Eilt behälter 85 liefert ui e Flüssigkeit B/ für uen Fun öl durcr. oir. Rohr 89. Die Dicke des Filmes 81 kann durch die ;i"he aer Flüssigkeit im behälter 85 kontrolliert weruen.

Fig. 8 zeigt einen Detektor 71', der dem der Fig. 7 sehr ähnlich ist. Jedoch, anstatt die Flüssigkeit von einem Behälter zuzuführen, wird der FlüssigkeitsfiIm 81 in der Vertiefung 79 aurch eine dünne Membrane 91 eingeschlossen. Der Flüssigkeitsfilm 81 empfängt die Kraft der Ultraschall-Energie und der Film 81 wird in ein stehendes Wellenmuster verzerrt, um das Hologramm 27 zu ergeben.

Fig. 9 zeigt einen Detektor 11", der Gebrauch von den einzigartigen Eigenschaften von Substanzen, die als "flüssige Kristalle" bekannt sind, macht. Eine Eigenschaft von cholesterischen ("cholesteric") flüssigen Kristallen ist, dass sie optisch aktiv sind, d.h. sie rotieren die Polarisationsebene des durch sie hindurchtretenden Lichtes. Die Drehung kann so hoch wie 18.000 Grad pro Millimeter des Weges sein. In Fig. 9 hat der Rahmen ein Giasfenster 67, das durch eine Rippe 93 an der inneren Wand getragen wird. Eine zweite durchsichtige Platte 95 wird durch eine andere Rippe 97 am Rahmen 73 getragen. Der flüssige Kristall 99, wie z.B. ein Cholesterinchlorid ("cholesterol chloride") ist zwischen den Platten 77 und 95 angeordnet. Wird die Schicht des flüssigen Kristalles 99 durch zwei Ultraschall-Strahlen bestrahlt, dann entwickeln sich Unterschiede in der Dicke entsprechend den Unterschieden in der Ultraschall-Intensität. Linear polarisiertes ("plane polarized") Licht wird durch die bestrahle dünne Lage des flüssigen Kri-

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stalles 99 übertragen und Unterschiede in der Drehung der Polarisationsebene werden entsprechend aer Verteilung der Intensität der interferierenden Ul trasoiidIi-Stramen erzeugt, die Veranlassung zur Beugung des übertragenen Lichtes geben.

Optische Aktivität ist nicht die einzige Eigenschaft von flüssigen Kristallen, die rür Ultraschall-Holographie verwendet weraon^ann. Die molekulare Struktur eines choiesterischen flüssigen Kristalles ist sehr delikat baxanciert una Kann leicht gestört werden. Irgend eine Kieme Störung, wie Bestrahlung mit Ultraschall, interferiert mit den schwachen Kräften zwischen den Moleküien und erzeugt ueutliehe Änderungen in solchen optischen Eigenschaften wie Beugung, Übertragung, Doppelbrechung, Kreisdichroismus, optische Aktivität una Farbe, Die Interferenz zweier Ultraschall-Strahlen verursacht somit abwechselnde Bereiche in dem Film des flüssigen Kriotaiies 99, worin aas flüssicie Kristall-Material in eine Flüssigkeit umgewanaelt wird, das keine optische Aktivität zeigt. Polarisiertes Licht, das durch die transformierte Filmlage geschickt wird, wird zufriedenstellend gebeugt, um ein^m einem der UItraschall-Strahlen angeordneten Gegenstand abzubilden.

Fig. 10 zeigt den Detektor 71 (oder 71') im Gebrauch. Der Tank 41' ist so konstruiert, um den Detektor 71 gerade unterhalb der Oberfläche des flüssigen Mediums 15 zu halten. Der Referenzstrahl 17 und der Gegenstand-tragende Strahl 25 werden so gerichtet, dass sie am Flüssigkeitsfilm 81 interferieren. Ein Beleuchtungsstrahl 29 von einer Lichtquelle 31 wird durch den Strahlspalter 29 auf das Hologramm 27 gerichtet,(das in dem Flüssigkeitsfilm 81 erzeugt wird) und ein Bildstranl 69 wird von dem Strahlspaiter 39 reflektiert. Die Reflexion vom Hologramm 27 kann (gemäss Fig. 2 oder 3) als Transparent aufgezeichnet oder (gemäss Fig. 5) rekonstruiert werden.

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Fig. Ix zeigt den Detektor 71" in Gebrauch. Die Apparatur für die Erzeugung des Ultraschall-Interferenzuiu.;ters ist wie vorher beschrieben angeurndet. Der Detektor 71" wird im i'anr. 4i' in dem Bereich angeordnet, wo der -Jl traschall-Referenzätrahi 1/ unä aer L'l tr aschal. I Gegenstand-tragende Strahl 25 sici. kreuzen. Ein Fenster iüi ist im Tank ii* vorgesehen. Eine Lichtquelle 31 (wie eine glühlampe 103 und lladelioch 105) ist durch eine polarisierende Platte 107 gerichtet und wird von einer Linse 49' ko...limiert. Der einfallende Strahi 109 geht durch das flüssije Medium i5 hindurch und wiru durch das hologramm L 7 übertrajen. Die gebeugten Strahlen treten d .rch eine Poiarisationspiatte 11.. runäurcn una werden zu einem Punjctfokus durch eine Linse 49 am Filter 53* gebracht. Ein Erste-Ordnung Strahl 33 wird abgeblendet zusammen mit dem Null-Ordnung Strahl 51, sodass das Bild des Gegenstandes im Erste-Ordnung Strahl 35 durcn die Betrachtungsiinaen 59 angeschaut werden kam.. Das nolugraniT.. 27 Kam; a:ci. auf Fi-". aufgezeichnet werden (wie in Fig. 2 oaer 3), wem. dies bequem ist.

Es sollte beachtet werden, dass eii\e Anzahl von Materialien als f j-üssiged Medium zur Verfügung stehen. Die Auswahl hängt ab von iLr<.ir Leitfähigkeit (um Kitze von den Ultraschal.-Wandlern zu übertragen), von ihrer Fähigkeit Ultraschall Zu xeitsn, von ihrer Her^exionskraft an eier Oberfläche, und von ihrer Fähigkeit eine stehende Weile zu erzeugen, d.h. Oberflächen* spannung. Die Wahl hängt von eier besten Kombination der vorgenannten Eigenschaften ab. Beispielsweise ir.ag bei einigen Medien die stehende Welle ausgesprochen aoer die Hitzeieitung schlecht sein.

Es versteht sich natürlich, dass, während die hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsfonnen der Erfindung bevorzugte Ausführungsformen aarstellen, es nicht beabsichtigt ist, alle möglichen Formen der Erfindung zu veranschaulichen.

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Ks versteht men duca, Udo;: αι·; /erwouu.iNiU Weite ι escin eibei.de unü nicht etwa eir.ociiiänkeivd^ Worte ^;,u, und aaso verocxaeaer.e Änderaiivjen durchaefünrt werdeii küuiii>, uiir.e den hier offenbarten ei fanden öGiieii Gedaiu'en unu aen oai'.uLZi-ereicrt der ürimdunj zu

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von drei-dimensiorialen Bildern; gekenn zei σ h η e t durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschal]-Energie auf üie Oberfläche eines flüssigen Mediums zu;

(b) anordnen eines Gegenstandes zwischen der Quelle des ersten Strahles von Ultraschall-Energie und der Oberfläche des flüssigen Medi uras;

(c) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie, so dass er mit dem ersten Strahl an der Oberfläche des flüssigen Mediums, zwecks Urzeugung eines Ultraschall-Hologranuns interferiert, wobei die ersten und die zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben; und

(d) rekonstruieren eines drei-dimensionalen Bilcies des Gegenstandes von dem Ultraschall-Hologramm mittels Lichtes unter Abblenden eines Erste-Ordnung Strahles und des Null-Ordnung Strahles, sodass das drei-dimensionale Bild im verbleibenden gebeugten Erste-Ordnung Strahl betrachtbar ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Hologramms, gekennzeichnet durch die Schritte;

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(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf die Oberfläche eines flüssigen Mediums zu;

(b) anordnen eines Gegenstandes zwische:. der Quelle des ersten Strahles von Ultraschall-Energie una aer Oberfläche des flüssigen iMediums;

(c) richten eines zweiten Strahles von UltraschaLl-Energie, sodass er mit dem ersten Strahl an der Oberfläche des flüssigen Mediums zwecks Erzeugung eines Musters stehender Wellen auf dieser Oberfläche interferiert, wobei die ersten und die zweiten Strahlen in wesentlichen die gleiche Frequenz haben;

(d) erleuchten des Musters stehender Wellen mittels Lichtes;

(e) richten der gebeugten Erste-Ordnung Strahlen und des Null-Ordnung Strahles, die von dem Muster stehender Wellen reflektiert werden zu eine:ti Filter und ausfiltern des Null-Ordnung Strahles; und

(f) fokussieren und aufzeichnen derErste-Ordnung Strahlen auf Film unter Erzeugung eines Hologramm-Transparents.

3. Verfahren zum Herstellen von drei-dimensionalen Bildern, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf die Oberfläche eines flüssigen Mediums zu;

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(b) anordnen eines Gegenstandes zwischen der quelle des ersten Strahles von Ultraschall-Energie and der Oberrläcne des flüssigen Mediums;

(c) richten eines zweiten Strahles von IJltrascnalL-Energie, souass er mit dem ersten Strahl an der Oberfläche des flüssigen Mediums interferiert und ein Muster stehender Wellen auf dieser Oberfläche erzeugt, wobei die ersten und die zweiten Stranien im wesentlichen die gleiche Frequenz haben;

(d) aufzeichnen des Musters stehender Wellen auf Film; und

(e) rekonstruieren eines drei-dimensionalen Bildes des Gegenstandes von dem aufgezeichneten Muster stehender Wellen durch Erleuchten des Musters stehender Wellen mittels Lichtes, unter Abblenden eines Erste-Ordnung gebeugten Strahles und des Null-Oranung Strahles, sodass das drei-dimensionaie Bild im verbleibenden Erste-Ordnung Strahl erscheint.

4. Verfahren zum Herstellen eines Hologrammes, g e k e η η zeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf die Grenzfläche zwischen einem ersten flüssigen Medium und einem zweiten flüssigen Medium, das weniger dicht als das erste Medium und mit diesem nicht mischbar ist;

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(ο) anordnen eines Gegenstandes zwischen eier yuelie dec ersten otranles von Ui traschail-Energie und uer Grenzfläche;

(c) richten eines zweiten Stranles von Ultraschall-Energie, soaass er mit dem ersten Strahl an der Grenzfläche interferiert unter Erzeugung eines Musters stehender Wellen an dex Grenzfläche inform eines Hologramms, wobei die ersten und die zweiten strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, aass die ersten und zweiten strahlen von Uitraschall-Energie beide in dem ersten flüssigen medium gehalten werden.

6. Verfahren nach Einspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Strahlen von Ultraschall-Energie beide in dem zweiten flüssigen Medium gehalten werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzei ohne t , dass die ersten und zweiten Strahlen von Ultraschall-Energie in verschiedenen flüssigen Medien gehalten werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion der ersten und zweiten Ultraschall-Strahlen von der Grenzfläche auf die Grenzfläche mit Ultraschall-Heflektoren reflektiert werden.

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i JD / I 5 / y DA-K228 - 20 -

9. Verfahren zum Herstellen eines Hologramms eines Gegeiustanaes mittels Ultraschall-Energie, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Stranles von Ultraschall-Energie auf einen Gegenstand und von dort zu einem HoiogrammentaecKenden Bereich; und

(b) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie, * sodass er mit dem ersten Strahl von Ultraschall-Energie

an dem Hologramm-entdeckenden Bereich interferiert, um em Ultraschal I-Hologramm zu erzeugen, wobei die ersten und aie zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Freguenz haben.

10. Verfahren zum Herstellen eines Hologramms eines Gegenstandes mittels Ultraschall-Energie, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf einen in einem flüssigen Medium angeordneten Gegenstand, wobei der Strahl dann zur Oberfläche des flüssigen Mediums fortschreitet; und

(b) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie zur Oberfläche des flüssigen Mediums, sodass er mit dem ersten Strahl von Ultraschall-Energie an dieser Oberfläche interferiert und dadurch ein Muster stehender Wellen erzeugt, um ein Ultraschall-Hologramm zu bilden, wobei die ersten und die zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben. 009808/0890 ·

J. ^

1... Verfahren nach Anspruch 10, uauurcn gekenrizei ohne t , uass aas wüster stehender Weilen aufgezeichnet wird.

Ιό. Verfahren nach /tiispruch 10, üauurch gekennzei c h net, daoo eia zweites flüssiges kediam aar Bilaung einer Grenzfläche mit dem ersten flüssigen Medium angeoidnet ist, dass das zweite flüssige Medium eino geringere Dichte als das erste Medium besitzt und mit demselben nicht mischbar ist, und dass das waster stehender Wellen, das das Hologramm bildet, an der Grenzfläche erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild des Gegenstandes von dem UltraschaJJi-Hologramm rekonstruiert wird.

14. Verfahren zum Herstellen eines Bildes eines Gegenstano.es, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf einen Gegenstand und dann auf eine Hologramm-detektierende Oberfläche, die in der Lage ist, eine stehende Welle aufrecht zu erhalten;

(b) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie, so dass er mit dem ersten Strahl an der Hologramm-detektierenden Oberfläche zwecks Erzeugung eines Stehende-Wellen Ultraschall-Hologramms interferiert, wobei die ersten und die zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben; und

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(c) gleichzeitiges Beleuchten der stehenden ^eLIe mit Lient in einer Weise, aass verschiedenes gebeugtes und ungebeugtes Licht einschliesslicn einem gewünschten BiIdtragenaen gebeugten Strahl erzeugt wiru.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aer ersta Strahl durch cien Gegenstand hindurch geschickt wird.

Lo. Verfahren nach Anspruch 14 oaar Ib₁ dadurch g e k e η η zeichnet, aass aie Erzeugung der ersten und zweiten ütrahlen pulsiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 15, daauxch gekennzeichnet, dass der gewünschte Bild-tragende Jtrahl von

dem verschiedenen anderen gebeugten und ungebeugten Licht getrennt wi ra.

18. Verfahren nach Anspruch 17, daaurch gekennzeichnet, dass Betrachtungsoptik in dem gewünschten Bild-tragenden gebeugten Strahl angeordnet und diese Optik auf ein drei-ctimensionales Bild de3 Gegenstandes fokussiert wira.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch g e k e, η η zeichnet, dass der Schritt der Trennung des gewünschten Bild-tragenden Strahles von dem verschiedenen gebeugten und un-

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gebeugten Licht den Schritt uufasat, aas gezeugte und ungebeugte Licht auf verschiedene Punkte zu fokussieren, una dass leiner ungewünschtes gebeugtes und ungebeugtes Licht an seinen betreffenden Brennpunkten blockiert, jedocn uem gewünschten Bild-tragenden gebeugten Strahl aer Darcngang gestattet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch aen weiteren Schritt des Blockierens allen von der stehenden Weile gebeugten und ungebeugten Lichtes, mit Ausnahme des gewünschten Bila-tragenden gebeugten Strahles.

21. Verfahren sum Herstellen eines optischen Bildes eines Gegenstandes, wie er von UItraschall-Energie gesehen wird, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie auf den Gegenstand zur Veränderung durch letzteren in einen Gegenstand-tragenden Strahl;

(b) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie, sodass er den ersten Gegenstand-tragenden Strahl schneidet und dadurch ultrasonische Maxima- und Minima -Interferenzmuster über wenigstens eine den beiden Strahlen gemeinsame Querschnittsfläche erzeugt, wobei die beiden Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben;

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(c) Detektieren des Eriergiemaxiinum- und Nliniiuum-iSnergiömusters;

(d) Modulieren rekonstruierenden Lichtes rait dem detektierten wüster zai Erzeugung verschiedener gebeugter und ungebeugter Lichtstrahlen einschliesslich wenigstens eines gewünschten BiId-tragenden Strahles; und

(e) Trennen des gewünschten Bild-tragenden Strahles von dem verschiedenen gebeugten und ungebeugten Licht.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, dass der Schritt des Trennens des gewünschten Bild-tragenden Strahls von aem verschiedenen gebeugten und ungebeugten Licht die Blockierung axles gebeugten und ungebeugten Lichtes mit Ausnahme des gewünschten BiId-tragenden Strahles umfasst.

23. Verfahren der Rekonstruktion von Informationen aus einem Ultraschall-Hologramm, gekennzei chnet durch:

(a) Beleuchten des UItraschall-Hologramms mit Licht derart, dass dadurch verschiedenes gebeugtes und ungebeugtes Licht erzeugt wird;

(b) Fokussieren des gebeugten und ungebeugten Lichtes auf verschiedene Punkte; und

(c) Blockieren unerwünschten gebeugten und ungebeugten Lichtes an den genannten verschiedenen Punkten unter Gestatten des Passierens des gewünschten Information-tragenden

Lichtes. 009808/0890

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, dass der Schritt aes Fokussierens des Lichtes die Verwendung einer Linse und dass die Blockierung unerwünschten Lichtes die Anordnung eines undurchsichtigen Blattes in einer Ebene des fokussieren Lichtes umfasst, unter Vorsehung einer öffnung in dem Bldtt, aia räumlich/angeordnet ist, dass sie das gewünschte Information-tragende Licht durcnlässt.

25. Verfahren zur periodischen Erzeugung eines Ultraschall-Hologramms, gekennzeichnet durch die Schritte:

(a) richten eines ersten Strahles von Ultraschal!-Energie auf einen Gegenstand und von dort aif eine Hologrammdetektierende Fläche, die in der Lage ist, eine stehende Welle aufrecht zu erhalten;

(b) richten eines zweiten Strahles von Ultraschall-Energie, so dass er mit dem ersten Strahl an der Hologramm-detektierunden Fläche interferiert, um ein Stehende-Welle Hologramm zu bilden, wobei die beiden Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben; und

(c) Pulsieren dar Erzeugung der beiden Strahlen mit einer zeitlichen Verzögerung zwischen den Impulsen, die kurz genug ist, um dem menschlichen Äuge den Eindruck eines dauernden Hologramms zu geben.

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2o. Einrichtung zur Erzeugung von drei-diniöiisionaieii Bildern, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

(a) Mittel zur Erzeugung: von Ultraschall-Energie unter der Oberfläche eines flüssigen Mediums zur Erzeugung eines ersten Strahles von Ultraschall-Energie, aar auf einen '3egenstana und dann auf die Oberfläche des flüssigen Mediums gerichtet ist;

(b) Mittel zur Erzeugung von Ultraschall-Energie unter uer Ooerfiäche eines flüssigen Mediums zur Erzeugung eines zweiten Strahles von Ultraschall.-Energie, sodass er mit dem ersten Strahl an der Ocerfläche des flüssigen Mediums interferiert zur Erzeugung eines Musters stehender Wellen, wobei die erster, und die zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben;

(c) eine PunktIicht-^uei.xe, die zur Erleuchtung des Musters stehender Weilen angeordnet ist;

(d) eine so angeordnete Linse, dass sie die von dem Muster stehender Weilen reflektierten Lichtstrahlen zu einem PunkWringt; und

(e) Mittel zum Ausblockieren eines fokussierten Erste-Ordnung Strahles und des fokussierten Null-Ordnung Strahles, um Betrachten des drei-dimensionalen Gegenstandes in dem unblockierten Erste-Ordnung Strahl zu ermöglichen.

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27. Einrichtung zur Erzeugung von Ultraschall -Hologramm-an, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach eii.em der Ansprüche his 25, gekennzei c h η e t durch:

(a) Mittel zur Erzeugung von UJLiaschal1-Energie unter uer Überfläche eines f üssigen Mediums zur Erzeugung eines ersten Strahles von Ultrasciuilj.-Energie, der auf einen Gegenstand una dann auf die Onerfläche des flüssigen Mediums gerichtet ist;

(b) Mittel zur Erzeugung von Ultraschail-Eriergie unter der üoerfläche eines flüssigen Mediums zur Erzeugung eines zweiten btrhhles von Ultraschall-Energie, sodass er mit dem ersten titrahl an der Oberfläche des flüssigen Mediums interferiert zur Erzeugung eines Musters stehender Wellen, wobei die ersten und die zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Freguenz haben; und

(c) einen in die Oberfläche des flüssigen Mediums eingetauchten und angeordneten Detektor zum Empfang der Interferenz Maximae und Minimae der beiden Strahlen von Ultraschal1-Energie, die ein Muster stehender Wellen erzeugen.

28. Einrichtung zur Erzeugung eines Ultraschall-Hologramms, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche bis 25, gekennzei chnet durch:

(a) ein flüssiges Medium;

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(b) einen m die Oberfläche ue^ flüssigen Mediums ej ngetaucaten Detektor, eier eine verzeribare flüssige Schient aulweist;

(c) einen ersten in aera flüssigen kedi um so angeordneten Wandlei, aas« ar einen ersten Strahl von Ultraschall Energie zu eineia Gegenstand uriu dann zu der verzerr baren flüssigen Schicht sendet;

(d) einen zweiten in dem flüssigen Medium so angeordneten Wandler, dass er Ultraschall-Energie zu der verzerrbaren flüssigen Schicht sendet, wobei die ersten und αϊe zweiten Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben j und

(e) Mittel zur Anbringung eines Gegenstandes in einem der Strahlen von Ultraschall-Energie, wodurch die Interferenz des ersten Strahles von Ultraschall-Energie una des zweiten Strahles ein Ultraschall-Interferenzmuster in der verzerrbaren flüssigen Schicht erzeugt.

29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzei ch net, dass die verzerrbare flüssige Schicht ein dünner Ölfilm ist.

30. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich net, dass die verzerrbare flüssige Schicht ein flüssiges Kristall ist.

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3L. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch g-ekennaei c h net, uasü uie verzerrbare r i.üssi je ochicht ein dünner, zwischen eine ülasrl-atto una einer «iünrien Membrane eingeschLossener Film einer Flüsaiqkoit iat.

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