DE1572579B2 - Verfahren zum Herstellen eines Hologramms mit Ultraschall-Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Hologrammes eines Gegenstandes mit Ultraschall-Energie.W, bei dem ein erster Strahl von Ultraschall-Energie auf einen Gegenstand zur Veränderung durch letzteren in einen Gegenstandsinformation tragenden Strahl gerichtet wird, bei dem ein zweiter Strahl von Ultraschall-Energie so gerichtet wird, daß er den ersten Strahl unter einem Winkel an einer Ultraschall-Detektorfläche schneidet unter Erzeugung eines Ultraschall-Maxima- und Minima-Interferenzmusters über der beiden Strahlen gemeinsamen Ultraschall-Detektorfläche, und wobei die beiden Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben.

Den Ausgangspunkt der Erfindung bilden die in »Research Film« 5 (1965), Seiten 330 bis 337, und in der DE-AS 10 46 911 geoffenbarten Verfahren.

Die angegebene Veröffentlichung »Research Film« offenbart die Übertragung des Gegenstandsstrahls und des Bezugsstrahls durch eine RQssigkeit, wobei dann das ein Ultraschall-Maxima- und Minima-Interferenzmuster darstellende Hologramm auf einem besonderen, gegenständlichen, in der Flüssigkeit untergebrachten Detektor erzeugt wird.

Bei der DE-AS 1046 911 wird nicht durch zwei interferierende Strahlenbündel ein eine dreidimensiona-,Ie, Wiedergabe ,gestattendes - Hologramm, erzeugt, sondern sozusagen ein Schattenbild eines Einschlusses eines Gegenstandes durch ein Interferenzmuster, das durch ständige Reflexion ein und desselben Strahlenbündels entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

; . Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen,

ίο durch das Ultraschall-Felder schnell mit hoher Auflösung abgebildet und in entsprechende Lichtmuster umgewandelt werden können.
,"s ;· Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

' ^ daß als Ultraschall-Detektorfläche die Oberfläche einer dünnen, gleichmäßig dicken Flüssigkeitsschicht dient, die auf einer ultraschall-durchlässigen Trägermembran ausgebreitet ist;

daß die beiden Ultraschall-Strahlen periodisch impulsweise ausgesandt werden und

daß die Ultraschall-Maxima- und Minima-Interferenzmuster unter Verwendung von an der Oberfläche der dünnen Flüssigkeitsschicht reflektiertem, in der ersten Ordnung gebeugtem Licht in ein Lichthelligkeitsmuster umgesetzt werden.

Weiterbildungen dieser Erfindung bestehen darin, daß der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen kurz genug gemacht wird, um dem menschlichen Auge den Eindruck eines dauernden Hologramms zu geben, bzw. darin, daß die beiden Strahlen durch einen mit einer ultraschall-übertragenden Flüssigkeit gefüllten Behälter auf eine Oberfläche der Flüssigkeit gerichtet werden und daß die Trägermembran für die die Ultraschall-Detektorfläche bildende dünne Flüssigkeitsschicht in Berührung mit der vorgenannten Oberfläche der ultraschall-übertragenden Flüssigkeit gebracht wird.

Die Erfindung hat bedeutsame Vorteile gegenüber allen mehr oder minder vergleichbaren vorbekannten Vorschlägen, indem sie die Abbildung von Ultraschallwellenfeldern schnell mit hoher Auflösung und die Umwandlung des Ultraschallmusters in ein entsprechendes Lichtmuster ermöglicht So erzeugt das in der DE-PS angegebene Verfahren nur eine Umriß-Abbildung. Das in der DE-AS 1046 911 geoffenbarte Verfahren leidet unter mangelnder Genauigkeit infolge der Vielfachreflexionen in dem keilförmigen Behälter. Das erfindungsgemäße Verfahren ist viel einfacher und leichter durchzuführen, als dies gemäß dem älteren deutschen Patent 1547 298 möglich wäre. Das erfindungsgemäße Verfahren ist infolge der Verwendung

so einer dünnen Detektorschichtflüssigkeit gegen Vibrationen stabilisiert Die in »Research Film« Vol. 5 No. 4, aus dem Jahre 1965 auf Seiten 330ff. von Greguss angegebene Verfahren ist langsam und kann keine Abbildung in Realzeit 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 Nadelloch hindurchtritt, ist auch eine zufriedenstellende Lichtquelle. Man könnte somit sagen, daß das Licht wirklich inkohärent oder, im äußersten Falle, quasikohärent ist

Viele Materialien, 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.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert In den Zeichnungen sind

Fig. 1, Fig.2, Fig.3 und Fig.4 Diagramme von Verfahren und Apparaten, die in Verbindung mit einer in Fig.5 wiedergegebenen Ausbildung verwendet werden können; ..,..·■

F i g. 5 ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Detektor im Schnitt und

Fig.6 und Fig.7 Diagramme von Verfahren und Apparaten zur Verwendung des Detektors der F i g. 5.

In den Zeichnungen sind die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile in allen Ausführungsformen verwendet, und solche entsprechend numerierten Teile sind im wesentlichen identisch in Struktur, Funktion und Operation. Zur Vermeidung verwirrender Wiederholung werden daher diese Teile, ihre Beziehungen zueinander und ihre Funktionen nur in Verbindung mit einem einzigen Ausführungsbeispiel beschrieben werden, wobei solche Beschreibung auf alle Ausführungsbeispiele, in denen diese Teile erscheinen, zutrifft.

F i g. 1 zeigt eine verhältnismäßig einfache Anordnung zur Erzeugung eines Bildes unter Verwendung von Ultraschall-Holographie. Vorzugsweise sind zwei Ultraschall-Wandler 11 und 13 in einem flüssigen Medium 15 angeordnet und ein erster Ultraschallenergie-Strahl 17 wird auf die Flüssigkeits-Luft-Trennfläche 19 (die Oberfläche des flüssigen Mediums 15) gerichtet Ein zweiter Ultraschallenergie-Strahl 21 wird auch auf die Trennfläche 19 gerichtet, so daß die beiden Strahlen 17 und 21 sich gegenseitig überdecken, wenn sie sich an der Zwischenfläche 19 treffen.

Es sei hier betont, daß beim Verfahren nach der vorliegenden Anmeldung nicht die Trennfläche 19, sondern statt derer eine in F i g. 5 veranschaulichte und nachfolgend beschriebene Flüssigkeitsschicht verwendet wird. Das gleiche gilt für die F i g. 2,3 und 4.

Der Gegenstand 23, der für die Abbildung ausgewählt ist, wird in einen der Strahler 17 oder 21 angeordnet. Ist der Gegenstand 23 erst einmal in einem der Strahlen 17 oder 21 angeordnet so wird der betreffende Strahl durch die Struktur des Gegenstandes 23 modifiziert. In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Gegenstand 23 in dem Ultraschall-Strahl 21 durch geeignete (nicht dargestellte) Mittel angeordnet und erzeugt einen Gegenstandtragenden Strahl 25, und der unmodifizierte Ultraschall-Strahl 17 ist der Referenzstrahl. Die beiden Ultraschall-Strahlen 17 und 25 interferieren an der Grenzfläche 19, um ein stehendes Wellenmuster oder Hologramm 27 zu erzeugen.

Das bevorzugte Verfahren der Erzeugung des Hologramms 27 ist die Verwendung von zwei getrennten Wandlern zur Erzeugung der Strahlen 17 und 21. Es ist jedoch möglich, das Hologramm 27 mittels nur eines Wandlers unter Ersatz eines der Wandler, z. B. des Wandlers 13, durch einen Ultraschall-Reflektor zu erzeugen. Der Strahl 17 wird dann von der Grenzfläche zu dem an der Stelle des Wandlers 13 angeordneten Ultraschall-Reflektor und durch den Gegenstand 23 reflektiert um einen Gegenstand-tragenden Strahl zu erzeugen, der mit dem Strahl 17 zur Bildung eines Hologramms 27 interferiert

Ein anderer zu beachtender und aus den Zeichnungen nicht offenbarter Faktor ist die Kraftquelle für die Wandler 11 und 13. Beide Wandler können an dieselbe Kraftquelle angeschlossen werden, in welchem Falle die Frequenz, die Phase und die Stärke der Strahlen 17 und 21 im wesentlichen gleich sein werden. Das Hologramm 21 wird etwas verbessert wenn der Bezugsstrahl 17 etwa geringere Intensität als der andere Strahl 21 aufweist Dies wird entweder erreicht durch Anordnung eines Abschwächers in die Schaltung des Bezugsstrahlwandlers 11 oder durch Benutzung eines getrennten Signalerzeugers. In jedem Falle werden die beiden Strahlen im wesentlichen in Phase gehalten. Die Größe der gewünschten Abschwächung hängt von den für die Verwendung benutzten Wandlern und der Natur des Gegenstandes ab. Obgleich es gewöhnlich wünschenswert ist, daß beide Strahlen identische Frequenzen und Phasenbeziehung haben, können gute Hologramme erzeugt werden, selbst 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 Größe 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 genug ist, damit die retinale Trägheit des Auges den Eindruck gibt, daß das Hologramm niemals verschwindet). Das erfindungsgemäße Verfahren der Verminderung von Oberflächenstörungen besteht in der Vorsehung von spezialisierten Detektoren, wie einer beispielsweise in F i g. 5 veranschaulicht ist.

Das Hologramm 27 wird durch Erleuchtung des Hologrammes 27 mit einem Strahl 29 eines Lichtes von einer Lichtquelle 31 rekonstruiert Das Hologramm 27 beugt den Lichtstrahl 29 in zwei Erste-Ordnung- Bezugsstrahlen 33 und 35, von denen jeder ein Bild 37 des Gegenstandes 23 trägt (nur ein Bild 37 ist in F i g. 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 Strahlspalter 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 gebeugten Strahlen 33 und 35 ist so gezeigt, daß sie in F i g. 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.

J5 Fig.2 zeigt ein Verfahren und einen Apparat zur Aufzeichnung des Ultraschall-Hologrammes 27 für nachfolgende Rekonstruktion. Ein Tank 41 hält das flüssige Medium 15. Das Ultraschall-Hologramm 27 wird in der gleichen Weise wie in F i g. 1 erzeugt und dann mit einem Lichtstrahl 43 von einer Lichtquelle 45 erleuchtet, der nicht kohärent zu sein braucht. Das Bild des Ultraschall-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 und wird vorzugsweise in Größe um ungefähr vierzigmal reduziert, um eine feinere Linienstruktur als die des flüchtigen Hologram-

mes 27 zu erzeugen. .. ; . ;

Fig.3 veranschaulicht ein Verfahren zur Aufzeichnung eines Ultraschall-Hologrammes 27. Eine Lichtquelle 31 (wie die in Fig. 1 angegebene) 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 Linie 49 reflektiert, 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 ι ο abgeblendet, und den Erste-Ordnung-Strahlen 33 und 35 wird gestattet, die Blockierung oder den Filter 53 zu einem fotografischen Film 55 zu passieren, auf dem sie vorzugsweise als ein Transparent 55 aufgezeichnet werden.

Fig.4 schließlich zeigt ein Verfahren des Bildes des Gegenstandes 23 direkt von dem flüchtigen Ultraschall-Hologramm 27. Das Hologramm 27, das in der vorher 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 werden durch den Strahlspalter 39 zu einer Linse 49 reflektiert und zu einem Punktfokus am Filter 53' gebracht Der Filter 53' blockiert alle außer einem Erste-Ordnung-Strahl 35 ab, und das Bild wird direkt mit den Betrachtungslinsen 59 (vorzugsweise in Form eines Teleskops) angeschaut

Anstatt nun, wie aus den F i g. 1 bis 4 ersichtlich, die Grenzfläche 19 zwischen Flüssigkeit 15 und der Luft als Detektor zu verwenden, erfolgt im vorliegenden Fall, wie in Fig.5 veranschaulicht, eine Isolierung des Ultraschall-Hologrammes 27 von der Fläche 19 des flüssigen Mediums. Der Detektor 71 umfaßt einen Rahmen 73, der in die Flüssigkeitsfläche 19 eintauchbar ist Ein durchsichtiges Fenster 77, wie Glas, ist innerhalb des Rahmens 73 angeordnet unter Belassung einer Vertiefung 79 unterhalb des Fensters 77. Ein Flüssigkeitsfilm 81 wird in der Vertiefung 79 durch 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.

F i g. 6 zeigt den Detektor 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 Bildstrahl 69 wird von dem Strahlspalter 39 reflektiert Die Reflexion vom Hologramm 27 kann (gemäß Fig.2 oder 3) als Transparent aufgezeichnet oder direkt rekonstruiert werden.

Fig.7 zeigt den Detektor 71 im Gebrauch. Die Apparatur für die Erzeugung des Ultraschall-Interferenzmusters ist wie vorher beschrieben angeordnet Der Detektor 71 wird im Tank 4Γ in dem Bereich angeordnet wo der Ultraschall-Referenzstrahl 17 und der Ultraschall Gegenstand-tragende Strahl 25 sich kreuzen. Ein Fenster 101 ist im Tank 4Γ vorgesehen. Eine Lichtquelle 31 (wie eine Glühlampe 103 und Nadelloch 105) ist durch eine polarisierende Platte 107 gerichtet und wird von einer Linse 49' kollimiert Der einfallende Strahl 109 geht durch das flüssige Medium 15 und wird durch das Hologramm 27 übertragen. Die gebeugten Strahlen treten durch eine Polarisationsplatte 111 hindurch und werden zu einem Punktfokus durch eine Linse 49 am Filter 53' gebracht Ein Erste-Ordnung-Strahl 33 wird abgeblendet zusammen mit dem Null-Ordnung-Strahl 51, so daß das Bild des Gegenstandes im Erste-Ordnung-Strahl 35 durch die Betrachtungslinsen 59 angeschaut werden kann. Das Hologramm 27 kann auch auf Film aufgezeichnet werden (wie in F i g. 2 oder 3), wenn dies bequem ist

Eine Anzahl von Materialien stehen als flüssiges Medium zur Verfügung. Zu beachten sind: die Leitfähigkeit (um Hitze von den Ultraschall-Wandlern zu übertragen), die Fähigkeit Ultraschall zu leiten, die Reflexionskraft an der Oberfläche und die Fähigkeit, eine stehende Welle zu erzeugen, d. h. Oberflächenspannung. Die Wahl hängt von der besten Kombination der vorgenannten Eigenschaften ab. Beispielsweise mag bei einigen Medien die stehende Welle ausgesprochen gut, aber die Hitzeleitung schlecht sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Hologrammes eines Gegenstandes mit Ultraschall-Energie, bei dem ein erster Strahl von Ultraschall-Energie auf einen Gegenstand zur Veränderung durch letzteren in einen Gegenstandsinformation tragenden Strahl gerichtet wird, bei dem ein zweiter Strahl von Ultraschall-Energie so gerichtet wird, daß er den ersten Strahl unter einem Winkel an einer Ultraschall-Detektorfläche schneidet unter Erzeugung eines Ultraschall-Maxima- und Minima-Interferenzmusters über der beiden^ Strahlen gemeinsamen Ultraschall-Detektorfläche,· und wobei die beiden Strahlen im wesentlichen die gleiche Frequenz haben, dadurch gekennzeichnet, daß als UltraschaH-Detektorfläche die Oberfläche einer dünnen, gleichmäßig dicken Flüssigkeitsschicht dient, die auf einer ultraschall-durchlässigen Trägermembran ausgebreitet ist,

daß die beiden Ultraschall-Strahlen periodisch impulsweise ausgesandt werden und
daß die Ultraschall-Maxima- und Minima-Interferenzmuster unter Verwendung von an der Oberfläche der dünnen Flüssigkeitsschicht reflektiertem, in der ersten Ordnung gebeugtem Licht in ein Lichthelligkeitsmuster umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen kurz genug gemacht wird, um dem menschlichen Auge den Eindruck eines dauernden Hologramms zu geben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlen durch einen mit einer ultraschall-übertragenden Flüssigkeit gefüllten Behälter auf eine Oberfläche der Flüssigkeit zu gerichtet werden und daß die Trägermembran für die die UltraschaH-Detektorfläche bildende dünne Flüssigkeitsschicht in Berührung mit der vorgenannten Oberfläche der ultraschall-übertragenden Flüssigkeit gebracht wird