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DE2554898A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die akustische abbildung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung fuer die akustische abbildung

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DE2554898A1
DE2554898A1 DE19752554898 DE2554898A DE2554898A1 DE 2554898 A1 DE2554898 A1 DE 2554898A1 DE 19752554898 DE19752554898 DE 19752554898 DE 2554898 A DE2554898 A DE 2554898A DE 2554898 A1 DE2554898 A1 DE 2554898A1
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acoustic
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arrangement
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DE19752554898
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Spaeter Genannt Werden Wird
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Leland Stanford Junior University
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Leland Stanford Junior University
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Publication date
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    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
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Description

PATENTANWALT D-1 BERLIN 33 1.12.1975
MANFRED MIEHE falkenried4
_, . Telefon: (030) 83119 50
Diplom-Chemiker Tetegramme: INDWSPROP BERLIN
Telex: 0185443
US/02/2257 AO-2907
THE BOARD OF TRUSTEES OF THE LELAND STANFORD JUNIOR UNIVERSITY
Stanford, Kalifornien, USA
Verfahren und Vorrichtung für die akustische Abbildung
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Abbildung von Gegenständen geschaffen unter Anwenden akustischer Wellen, wobei ein akustischer Strahl oder Strahlen mit einer oder mehreren Frequenzen ausgebildet und benachbart zu dem Objekt fokussiert wird unter Erzeugen einer akustischen Ausgangsenergie mit unterschiedlicher Frequenz oder Frequenzen, die sich durch die nicht linearen Wechselwirkungen ergeben. Hierdurch werden nach dem Messen und Umwandlung in elektrische Ausgangssignale verbesserte Abbildungen mit hohem Auflösungsvermögen erhalten.
Die Erfindung betrifft allgemein Mikroskope und weitere der Objektabbildung dienende Vorrichtungen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Abbildung von Gegenständen unter Anwenden akustischer Wellen.
Herkömmliche Mikroskope arbeiten mit zwei Strahlungsformen, und zwar elektromagnetischen Wellen, wie bei den optischen Instrumenten und Elektronenwellen, wie bei den Elektronenmikroskopen.
Die optischen Instrumente haben im Verlaufe vieler Jahre Verbesserungen erfahren unter Ausbilden genauer Abbildungen von selbst Gegenständen, die so klein wie biologische Zellen sind. Unabhängig von derartigen Verbesserungen gibt es arteigene Begrenzungen, da die optischen Systeme im wesentlichen die dielektrischen Eigenschaften des abgebildeten Gegenstandes oder Probe feststellen. Aufgrund dieser Tatsache sind bestimmte Gegenstände
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optisch durchscheinend, so daß keineAbbildung entwickelt werden kann, während andere optisch nicht durchsichtig sind, so daß Einzelheiten im Inneren nicht offenbart werden. Weiterhin gibt es Begrenzungen in der Kontrastempfindlichkeit, da z.B. geringer spezifischer optischer Kontrast bei bestimmten biologischen Proben, wie Gewebeschnitten und Zellsuspensionen vorliegt. Derartige Kontrastbegrenzungen sind lediglich teilweise überwunden worden durch sehr zeitraubende Arbeitsweisen des Anfärbens biologischer Proben.
Das Elektronenmikroskop ist natürlich technisch wesentlich schwieriger zu erstellen und zu benutzen. Weiterhin können bestimmte Objekte, wie lebende Zellen nicht untersucht werdena da das Erfordernis vorliegt ein Vakuum aufrechtzuerhalten, sowie die Elektronenbombardierung die Zellen beschädigt.
Die relativ kürzliche Entwicklung einer akustischen Wellenerzeugung mit Frequenzen von etwa 1000 MHz führt zu einer akustischen Wellenlänge im Wasser in der Größenordnung von 1 Mikron, wodurch sich die Anwendung eines möglicherweise hervorragenden Mechanismus für die Ausbildung von Abbildungen hoher Auflösung ergibt. Weiterhin ist es die Veränderung der elastischen und nicht der dielektrischen Eigenschaften der Probe, die die Streuung, Reflektion und Absorption der akustischen Energie bestimmt. Dies ermöglicht die untersuchung von Einzelheiten, die unter der Oberfläche bestimmter Proben vorliegen, die ansonsten aufgrund der optischen und elektronischen Undurchsichtigkeit nicht festgestellt werden können. Weiterhin, und dies ist von größter Bedeutung, zeigen Veränderungen der elastischen Eigenschaften ebenfalls unterschiedliche Einzelheiten und führen speziell zu einem großen spezifischen akustischen Kontrast. So ist beispielsweise in der Ausgabe vom 15. Februar 1974 der Veröffentlichung Applied Physics Letters ein "akustisches Mikroskop, Abtastversion" in einem Artikel auf den Seiten 163 ff von den Verfassern Lemons und Quate beschrieben. Die Autoren weisen darauf hin, daß eine gute Auflösung und Empfindlichkeit erzielt wird. Kurz umrissen wird die Art des abzubildenden Gegenstandes dadurch untersucht,
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welcher Betrag an Störung oder Schwächung derselbe gegenüber dem akustischen Strahl zeigt oder durch die Reflektionen oder Phasenverschiebungen, die durch Veränderungen in der akustischen Impedanz über den Gegenstand verursacht werden. Praktische Begrenzungen bezüglich der Auflösung ergeben sich natürlich durch die Betriebsfrequenz, und die sich ergebende Abbildung hängt natürlich von den linearen elastischen Eigenschaften des Gegenstandes ab.
Somit ist es die der Erfindung zugrundeliegende allgemeine Aufgabe ein Verfahren und eine Vorrichtung für die akustische Abbildung zu schaffen, bei dem die nicht lineare Wechselwirkung der akustischen Energie mit dem Gegenstand oder benachbartem Medium angewandt wird, der eine akustische Energie mit einer unterschiedlichen Frequenz gegenüber derjenigen der ausgesanfiten Frequenz erzeugt unter Ausbilden eines Ausgangssignals, das bezüglich seiner Auflösung verbessert ist und gibt Einzelheiten des Gegenstandes wieder, die ansonsten nicht erreicht werden können.
Allgemein wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein akustisches Abbildungsverfahren zur Anwendung kommt, bei dem als ein erster Schritt Signale mit einer oder mehreren hohen Frequenzen erzeugt werden, wobei es sich um den Mikrowellen-Frequenzbereich handeln kann und die naschließende überführung eines derartigen Signals oder Signale zu einem piezoelektrischen Wandler, der eine große Anzahl akustischer Wellen kurzer Wellenlänge in Form einesgerichteten Strahls in einem akustischen Ausbreitungsraedium erzeugt. Jeder akustische Strahl wird sodann an eine akustische Linse abgegeben, die zu einer scharfen Konvergenz des Strahls auf einen Brennpunkt führt, an dem sich der abzubildende Gegenstand befindet. Es tritt eine nicht lineare Wechselwirkung der auftreffenden akustischen Energie entweder im Inneren des Gegenstandes oder in dem benachbarten Medium ein, dergestalt, daß Frequenzen erzeugt werden, die sich von den beaufschlagten Frequenzen unterscheiden, und diese abgegebene akustische Energie wird sodann gemessen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und an ein Oszilloskop oder anderen Widdergabemechanismus abgggeben, wo eine optische Abbildung des Gegenstandes wiedergegeben werden kann.
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Das Verfahren kann nach einer einfachen Ausführungsform mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die ähnlich derjenigen in der oben erwähnten Veröffentlichung Lemons-Quate ist. Es wird hochfrequente Energie mit einer Grundfrequenz durch einen geeigneten Wandler an ein akustisches Ausbreitungsmedium abgegeben, das daran angeordnet eine Linse aufweist unter Fokussieren des erzeugten akustischen Strahls auf einen Brennpunkt, wo sich der Gegenstand befindet, und aufgrund des hohen Maßes der Konvergenz ist die Intensität der akustischen Energie ausreichend, um Harmonische zu erzeugen, und zwar entweder im Inneren des eigentlichen Gegenstandes oder im Inneren des benachbarten Mediums, das wie bei der Anordnung nach Lemon und Quate Wasser ist.
Es kann gezeigt werden, daß bei Erzeugen einer Harmonischen in dem benachbarten Medium, z.B. Wasser oder in dem Gegenstand die wirksame Punktgröße bei dieser harmonischen Frequenz kleiner als die wirksame Punktgrößer der ursprünglich eingeführten Frequenz ist, und somit wird die Auflösung tatsächlich proportional zu der Ordnung der Harmonischen verbessert, wie weiter unten im Einzelnen erläutert. Weiterhin, und dies ist noch von größerer Wichtigkeit, werden dann, wenn die Erzeugung der Harmonischen im Inneren des Gegenstandes erfolgt, verschiedene Teile des Gegenstandes nunmehr aufgrund der Veränderung der harmonischen Aussendung abgebildet, und zwar in Übereinstimmung mit Veränderungen der elastischen Eigenschaften höherer Ordnung, die sich erheblich von deren Fundamentalen unterscheiden können. Als Folge hiervon ergeben sowohl aufgrund der verbesserten Auflösung, die sich durch die Erzeugung der harmonischen Frequenzen oder nicht linearen Wechselwirkung im Inneren des Gegenstandes ergeben, schließlich Abbildungen, die im Vergleich zu denjenigen verbessert sind, die durch Messen der gestörten Fundamentalen erzeugt werden, wie dies in der oben erwähnten Veröffentlichung von Lemons-Quate beschrieben ist.
Wenn auch das Messen oder Feststellen mit einer Anordnung wie in der Veröffentlichung von Lemons-Quate beschrieben, zur Durchführung kommen kann, einschließlich einer zweiten spährischen Ausgangslinse, die einen gerichteten akustischen Strahl erzeugt, der durch einen geeigneten Wandler gemessen oder festgestellt
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werden kann, versteht es sich, daß aufgrund der Zunahme der SchwächungsVerluste der akustischen Energie mit der Arbeitsfrequenz eine geringfügig abgewandelte erfindungsgemäße Ausführungsform einen planen akustischen Wandler anwenden kann, der unmittelbar hinter dem Gegenstand angeordnet ist, so daß hierdurch die Schwächungsverluste kleinstmöglich gehalten werden. Ansonsten ist die Arbeitsweise ähnlich.
Eine weitere geringfügige erfindungsgemäße Abwandlungsform dient ebenfalls der Verringerung der Schwächungsverluste, und hierbei ist ein reflektierendes Instrument in Betracht gezogen, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen, z.B. die Harmonischen erzeugt und unmittelbar im Anschluß hieran auf einen in geeigneter Weise angeordneten Ausgangswandler reflektiert werden, der auf eine unterschiedliche Frequenz abgestimmt ist. Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ergibt sich, daß unterschiedliche Ausgangsfrequenzen untrschiedliche Abbildungen erzeugen, und so ist es z.B. möglich die Fundamentale, die zweite und dritte Harmonische zu messen oder festzustellen und die Wiedergabe oder Aufzeichnung der drei Ausgangssignale auf ein Farboszilloskop zu kombinieren, wodurch sehr wohl leichter feststellbare Charakteristika des abzubildenden Gegenstandes erhalten werden können.
Weiterhin ist allgemein bekannt, daß verschiedene Materialien ihre unterschiedlichen mechanischen, einschließlich molekularer Resonanzzen aufweisen und es liegt somit ebenfalls im Rahmen der Erfindung, daß verschiedene akustische Eingangssignale auf einen einzelnen Gegenstand gerichtet und relativ abgestimmt werden können, wodurch sich eine Differenzfrequenz ergibt, dieeiner mechanischen Resonanz des Gegenstandes entspricht. Die Wirkung dieser Korrespondenz kann schließlich festgestellt bzw. gemessen werden, wodurch weitere Charakteristika des Gegenstandes wiedergegeben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Figur 1 eine diagrammförmige m±tlere Schnittansicht einer akustischen Abbildungsvorrichtung zur Durchführung der Erfindung, wobei die zugeordneten elektronischen Eingangs- und Ausgangskomponenten in Form eines Lochdiagramms wiedergegeben sind;
Figur 2 eine ähnliche diagrammfrmige mittlere Schnittansicht einer geringfügig abgewandelten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Figur 3 eine weitere mittlere Schnitfcansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der reflektierte akustische Energie angewandt wird;
Figur 4 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der Mehrfach-Eingangssignale so angeordnet angewandt werden, daß eine Wechselwirkung mit dem Gegenstand bei der mechanischen Resonanzfrequenz ermöglicht wird.
Unter Bezugnahme auf die Figur 1 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, der elektromagnetische Energie mit einer Frequenz ω von z.B. 450 MHz über eine Koaxialleitung 12 abgibt, deren äußeres Ende die Energie auf einen dünnfilmigen oder plattenförmigen piezoelektrischen Wandler 14 an dem Ende des akustischen Ausbreitungsmediums 16 abgibt, um so eine akustische Massenwelle in Form eines gerichteten Strahls B1 zu ergeben. Der Wandler 14 kann in dem vorliegenden Fall aus einem dünnen Film aus Zinkoxid gebildet sein, es können jedoch auch andere piezoelektrische Materialien, wie Lithiumniobat, Cadmiumsulfid, Zinksulfid oder viele weitere piezoelektrische Materialien angewandt werden, wie dies auf dem einschlägigen Gebiet bekannt ist. Als akustisches Ausbreitungsmedium 16 ist in dem vorliegenden Fall ein Saphir vorgesehen, es können jedoch auch andere akustische Ausbreitungsmedien, wie geschmolzener Quarz, Yttriumaluminiumgarnet, ein piezoelektrischer Halbkeiter, wie Cadmiumsulfid oder andere bekannte Ausbreitungsmedien Anwendung finden.
An dem äußeren Ende des Ausbreitungsmediums 16 entfernt von dem Eingangswandler 14 ist eine akustische Linse 18 ausgebildet, die wie hier spezifisch erläutert, in der einfachen Form einer polierten, konkaven, sphärischen Oberfläche vorliegt, die in das Ende
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des Saphirmaterials eingeschliffen ist. Speziell ist hier die erläuterte Linse mit einem Krümmungsradius von 0,13 mm geschliffen und weist eine f Zahl von 0,75 auf. Somit wird der gerichtete akustische Strahl B^ in ein benachbartes Strömungsmedium 20 konvergierend geführt, wobei das Medium in dem vorliegenden Fall Wasser darstellt. Da das Wasser ein langsameres akustisches Geschwindigkeitsmedium als der Saphir ist, stellt die akustische Linse eine positive Linse dar, die den Strahl zu einem Brennpunk T fokussiert.
wird Das zu betrachtende Objekt oder Probe O/in dem Strömungsmedium 20 an dem Brennpunkt F getragen und es ist eine Anordnung für das Abtasten vorgesehen, in dem vorliegenden Fall vermittels der einfachen mechanischen Bewegung der Probe. Wie diagrammförmig in der Figur 1 gezeigt, ermöglicht eine einstellbare Traganordnung 22 unter Anwenden eines Mikrometers die Einstellung der Probe oder des Objekts 0 in und aus der Brennebene heraus, wie nachfolgend als Z-Richtung bezeichnet. In der Brennpunktsebene ergibt sich ein schnelles Abtasten in einer Richtung, die als X-Richtung in der Figur 1 bezeichnet werden kann, dadurch, daß auf der Traganordnung 22 ein Lautsprecher 24 angeordnet wird, dessen Trichter mit der Probe oder Objekt verbunden ist. Die Traganordnung 22 ist ihrerseits an einer Bühne 26 befestigt, die hydraulisch vermittels ihrer Vorrichtung 23 in der angegebenen Y-Richtung hin- und hergehend bewegt werden kann. Die gleiche Spannung, die den Lautsprecher 24 von einer Energiequelle 25 aus speist, wird ebenfalls an die waagerechte Ablenksteuerung einer herkömmlichen Kathodenstrahlröhre oder Oszilloskop abgegeben und die hin- und hergehend bewegliche Bühne ist mit einem Potentiometer 30 verbunden, dessen Ausgangsspannung an die senkrechte Ablenkelektrode des Oszilloskops 28 abgegeben wird, wodurch sich ein eins-zu-eins übereinstimmen zwischen der Lage des Objekts und der Lage des Oszilloskopstrahls ergibt. In praktischer Hinsicht können bis zu 3 mm Blickfeld mit Abtastgeschwindigkeiten von 300 Zeilen/Sekunde erreicht werden, so daß eine vollständige Abbildung auf dem Oszilloskop in'weniger als 1 Sekunde ausgebildet werden kann.
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Da die akustische Linse den primären akustischen Strahl in stark konvergierender Weise fokussiert, kann die akustische Intensität I an oder benachbart zu dem Brennpunkt F ausreichend groß sein, um höhere akustische Harmonische (z.B. 900 MHz) mit einer feststellbaren Amplitude an dieser Stelle zu erzeugen. Für Erläuterungszweckesei darauf hingewiesen, daß die akustische Intensität des Primärstrahls bei Annäherung an den Brennpunkt oder dessen schmalen Knoten vermittels einer Gauss'sehen Verteilung approximiert werden kann, die von einem Maximum an der Strahlenachse abfällt und läßt sich als eine Funktion des Radius r von dem Strahlenmittelpunkt wiedergeben durch
2
I1Cr) = I1e"(r/R0) (1)
wobei r der spezielle Radius ist, wo die Intensität auf einen Wert 1/e des Maximums abfällt und somit die Punktbreite des primären akustischen Strahls wiedergibt.
Anderersfeits wird die durch den Primärstrahl erzeugte harmonische Intensität einen Wert aufweisen, der beschrieben wird durch
In(r) = h^e -n<r/ro)2 (2)
so daß eine Verbesserung in der Auflösung von 1//n erhalten wird, wobei η die Ordnung der Harmonischen ist. h ist der elastische Koeffizient höherer Ordnung des speziellen Materials. Mit anderen Worten, wenn die ursprüngliche Punktbreite oder effektive Auflösung durch den Radius rQ wiedergegeben wird, beläuft sich die neue Auflösung auf
r0· =ro//n (3)
Wenn somit die Erzeugung der Harmonischen im wesentlichen im Inneren der Flüssigkeit vor dem Gegenstand erfolgt, wird eine akustische Abbildung bei der harmonischen Frequenz erhalten, und zwar beruhend auf den örtlichen Veränderungen der Absorption und der Streuung durch den Gegenstand, ermöglicht jedoch eine Verbesserung der Auflösung, wie durch die Gleichung (3) wiedergegeben.
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Wenn der Brennpunkt F so angeordnet ist, daß die Erzeugung der Harmonischen im wesentlichen des eigentlichen Gegenstandes oder Objektes erfolgt, gilt insbesondere, daß verschiedene Teile des Gegenstandes nunmehr aufgrund der Veränderung der Aussendung der Harmonischen abgebildet werden (im Gegensatz zu einer einfachen Störung des PrimärStrahls) in Übereinstimmung mit den Veränderungen der elastischen Eigenschaften höherer Ordnung, die sich erheblich von den Fundamentalen derselben untesscheiden können. Weiterhin gilt in Übereinstimmung mit der Gleichung (3), daß die Punktgröße bei der harmonischen Frequenz so verringert wird, daß eine verbesserte Auflösung erhalten wird. In praktischer Hinsicht hat ein Arbeiten mit der zweiten Harmonischen 2 ω (900 MHz) zu Abbildungen von Geweben geführt, die sich wesentlich bezüglich der Einzelheiten als auch der Auflösung unterscheiden gegenüber einem Arbeiten mit der Fundamentalfrequenz.
Wie in der Figur 1 gezeigt, wird der divergierende Strahl B~, der durch den Gegenstand 0 ausgesandt wird, durch eine weitere akustische Linse 32 an dem Ende des Saphirkristalls 34 erneut ausgerichtet, so daß der Strahl auf einen piezoelektrischen Ausgangswandler 36 der gleichen Art wie der Eingangswandler auftrifft, so daß das akustische Signal festgestellt, in ein elektrisches Signal umgewandelt und nach Hindurchtritt durch einen herkömmlichen Bandpaßverstärker 38 an die Emissionselektrode der Kathodenstrahlröhre 28 abgegeben wird, wodurch schließlich eine optische Abbildung erreicht wird, die einer direkten Betrachtung zugänglich ist.
Da sich dasAusgangssignal bei einer höheren (harmonischen) Frequenz, 2 ω befindet, können die Schwächungsverluste in dem Wasser, die proportional dem Quadrat der Frequenz sind und somit stark zunehmen, wenn eine Harmonische erzeugt wird, recht erheblich sein, und eine geringfügig abgaandelte erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Figur 2 läßt die akustische Ausgangslinse 32 in Fortfall kommen und ersetzt dieselbe durch einen relativ breitbandigen planen Wandler 40 bekannter Bauart, der dazu angewandt werden kann, die akustischen Signale mit der fundamentalen
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und harmonischen Frequenz festzustellen und dieselben in die entsprechenden elektrischen Ausgangssignale umzuwandeln. Insbesondere kann der Wandler 40 in Form einer flaxchen Schicht 42 aus Zinkoxid oder einem anderen piezoelektrischen Material bestehen, das eng benachbart zu dem Gegenstand 0 an dem Ende eines Stabes 44 mit hoher dielektrischer Konstante getragen wird, wie einem Stab aus Rutil, der sich in einem Hohlraumresonator 46 befindet und eine Ausgangssonde 48 besitzt, wodurch die Abgabe der elektrischen Ausgangssignale ermöglicht wird. Wenn auch die von dem Objekt 0 kommenden akustischen Wellen nicht plan sind, da dieselben divergieren, werden die Schwächnngsverluste ausreichend verringert unter Kompensieren der Phasenlöschung in dem planen Wandler, und es ergibt sich weiterhin, daß die genaue Ausrichtung eines derartigen Wandlers nicht erforderlich ist, wie dies offensichtlich für die akustische Ausgangslinse 32 bei der Bauart nach der Figur 1 erforderlich ist.
Insbesondere wird, wie in der Figur2 gezeigt, ein Signal ausgehend von einem Hochfrequenzgenerator 5O einem Eingangswandler 52 zugeführt, der einen akustischen Strahl B_ in einem Ausbreitungskristall 54 erzeugt, wobei der letztere eine konvergierende akustische Linse 56 aufweist, die an dem äußeren Ende ausgerichtet zu dem Strahl vorliegt, entsprechend der ersten beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführngsform. Der Strahl B, konvergiert auf dem Objekt 0 an dessen Brennpunkt F, so daß der akustische Strahl mit der fundamentalen Frequenz gestört wird und Harmonische zur Ausbildung kommen. Sowohl die fundamentalen als auch harmonischen akustischen Signale treffen auf den beschriebenen planen Wandler 4O auf.
Die von dem Wandler 4O nach der Figur 4 kommenden Ausgangssignale können an ein einfaches Wiedergabeoszilloskop, siehe die Bauart nach der Figur 1, abgegeben werden, wie jedoch speziell in der Figur 2 erläutert, können auch wahlweise die Ausgangssignale von
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dem Wandler 40 gleichzeitig an drei unterschiedliche Bandpaßfilter 57a, 57b, 57c abgegeben werden, die so angeordnet sind, daß die Frequenzen mit der Fundamentalfrequenz, der zweiten und dritten Harmonischen hindurchgehen, und diese drei Signale, deren elektrische Charakteristika sich unterscheiden, da unterschiedliche Arbeitsweisen vorliegen, können nach der geeigneten Verstärkung und Gleichrichtung (nicht gezeigt) dazu angewandt werden, die Strahlsysteme einer Farbfernseh-Wiedergaberöhre 58 zu modulieren. Da das menschliche Wahrnehmungsvermögen auf Farbe beruht, ist dies sodann eine außerordentlich zweckmäßige Arbeitsweise für das Feststellen der Informationsunterschiedlichkeiten, wie sie durch die verschiedenen Frequenzen bedingt werden.
Das gleiche grundsätzliche Verfahren kann natürlich auch mit weiteren Anordnungen durchgeführt werden, wobei eine derselben ein reflektierend arbeitendes Instrument ist, siehe die Figur 3, wobei ein elektrisches Eigngangssignal von einem geeigneten Hochfrequenzgenerator 60 an einen Eingangswandler 62 an einem Ende eines Saphirstabes 64 abgegeben wird und einen akustischen Strahl B. erzeugt. Es liegt eine Schicht flüssigen Galliums im Inneren des Stabes 64 mit einem Winkel von 45° vor unter Ausbilden eines Strahlenspalters 66. Ein Teil des Strahls B^ wird seitlich reflektiert und in einem akustischen Absorber 68 absorbiert, der aus Gummi oder einem anderen absorptionsfähigen Material besteht; jedoch tritt ein Teil in der gleichen Richtung und wird sodann durch eine akustische Linse 70 fokussiert, und zwar im wesentlichen in der Art der ersten beiden hier erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsformen. Der konergierende akustische Strahl B4 wird durch Wasser oder eine Flüssigkeit mit geringem Verlustfaktor, wie Gallium 72 und einem festen Substrat 74 mit geringem Verlustfaktor, wie Wismutgermaniumoxid, auf einen Brennpunkt F benachbart zu oder im Inneren des Gegenstandes oder Objektes 0 fokussiert, der sich über einem planen akustischen Reflektor 76 befindet. Derselbe besteht aus Saphir oder Gold, und somit wird
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die erzeugte zweite oder dritte harmonische akustische Energie zurück durch die gleiche Linse 70 geführt. Im Anschluß hieran wird ein Teil im Inneren des Stabes 64 seitlich durch den Strahlenspalter 66 reflektiert unter Abgabe an einen Ausgangswandler 78 für die sich anschließende Wiedergabe des elektrischen Ausgangssignals auf einem Oszilloskop 80 praktisch in der gleichen Weise wie bei den anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen .
Es ist weiterhin allgemein bekannt, daß viele Substanzen mechanische (einschließlich molekularer) Resonanzen aufweisen, die in typischer Weise in dem Frequenzbereich von 10 KHz bis 100 MHz liegen, und das Grundsätzliche des Erfindungsgegenstandes kann dazu angewandt wird, diese Resonanzen der Substanzen zu erregen und Summen- oder Differenzenfrequenzen zu erzeugen. Wie insbesondere in der Figur 4 gezeigt, sind zwei Hochfrequenzgeneratoren 82, 84 mit Frequenzen ω., und ω_ so angeordnet, daß gleichzeitige und koinzidierende akustische Strahlen Bc und B, in einem einzi-
O D
gen Wandler 86 erzeugt werden, der an einem Saphirkristall 88 angeordnet ist, und zwar im wesentlichen in gleicher Weise wie im Einzelnen im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert.
Als Folge davon, daß zwei akustische Strahlen B5, B6 beide benachbart zu dem Objekt 0 durch eine Linse 90 fokussiert werden, erzeugen dieselben neue akustische Frequenzen mit der Differenzfrequenz ω = ω,. - ω2 und mit der Summenfrequenz (U1 + 2 = ω2 + ω..- u)a = 2ω ^ - ω&.
Einer der Hochfrequenzgeneratoren 82, 84 kann abstimmbar sein, und wenn eine Abstimmung dergestalt erfolgt, daß die Differenzfrequenz ω eng benachbart zu einer mechanischen Resoanzfrequenz vorliegt, wird das Ausgangssignal mit der Differenzfrequenz natürlich verändert, und entsprechende Veränderungen in den Amplituden der Signale bei der ursprünglichen und den Summenfrequenzen wird ebenfalls eintreten.
Natürlich wird die Summenfrequenz eng benachbart zu der zweiten Harmonischen von ω* liegen, da ω_ in typischer Weise wesentlich
ι a
kleiner als entweder ω., oder ω2 ist und kann in zweckmäßiger
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Weise durch eine zweite akustische Linse 92 in einem Saphirstab 94 zu einem akustisch-elektrischen Ausgangswandler 96 gerichtet werden, der in dem Gebiet der zweiten Harmonischen arbeitet. Das festgestellte bzw. gemessene und umgewandelte elektrische Ausgangssignal kann an ein elektrisches Filter 98 abgegeben werden, das dazu angewandt werden kann, die gewünschte Summenfrequenzkomponente von der zweiten Harmonischen zu trennen. Das sich ergebende Signal kann sodann nach geeigneter Verstärkung und Gleichrichtung in der üblichen Weise auf einem Oszilloskop 100 wiedergegeben werden. Es ist zu beachten, daß selbst obgleich die mechanische Resonanz einen relativ niedrigen Frequenzwert aufweist, immer noch die hervorragen* Auflösung erzielt wird, wie sie sich durch ein Arbeiten bei der Harmonischen ergibt, wie dies auch bei den anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Fall ist.
Als eine arbeitsmäßige Alternative kann das Ausgangssignal bei einer Eingangsfrequenz ω., festgestellt bzw. gemessen werden, während man die andere eingeführte Signalfrequenz o^. Hierdurch ergibt sich eine beobachtbare Veränderung in der Amplitude des Ausgangssignals, wenne ine oder mehrere mechanische Resonanzen auftreten.
Durch einen einfachen Zusatz eines niederfrequenten Wandlers 102, wie durch den piezoelektrischen Ring mit geeigneten Dimensionen an der Kante des Saphirkristalls angeordnet, kann man die akustische Energie bei der Differenzfrequenz ω= feststellen und
CL
umwandeln für die Abgabe durch ein Filter 104 an das Oszilloskop 100.
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Claims (12)

  1. - 14 Patentansprüche
    v 1 .■■■ Verfahren zur akustischen Abbildung dadurch gekennzeichnet , daß ein akustischer Strahl mit einer vorherbestimmten Frequenz erzeugt, der akustische Strahl an einem vorherbestimmten Brennpunkt benachbart zu dem abzubildenden Gegenstand oder Objekt fokussiert wird, wobei die fokussierte akustische Energie auf den Gegenstand auftrifft, die sich aufgrund eines derartigen Auftreffens auf den Gegenstauä ergebende akustischer Energie mit einer unterschiedlichen Frequenz festgestellt bzw. gemessen wird und die festgestellte akustische Energie in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß ein derartiges Feststellen oder Messen mit einer höheren Frequenz als der Frequenz des fokusiierten akustischen Strahls ausgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststellen oder Messen mit einer Frequenz durchgeführt wird, die eine Harmonische der Frequenz des akustischen Strahls darstellt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststellen oder Messen eng benachbart zu dem Gegenstand oder Objekt durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß ein zweiter akustischer Strahl koinzidierend mit dem ersten Strahl ausgebildet, der zweite akustische Strahl an dem gleichen Brennpunkt fokussiert und die Frequenz des zweiten akustischen Strahls verändert wird unter Ausbilden einer Differenzfrequenz gleich einem Resonanzcharacteristikum des Gegenstandes oder Objektes.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß akustische Energie bei wenigstens einer zusätzlichen Frequenz festgestellt oder gemessen und die Energie in wenigstens ein weiteres getrenntes elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird.
    - 15 -
    609825/0307
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwei koinzidierende akustische Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, beide Strahlen auf praktisch den gleichen Brennpunkt benachbart zu dem abzubildenden Gegenstand oder Objekt fokussiert werden, die Frequenz einer der akustischen Strahlen verändert wird und die akustische Energie des anderen akustischen Strahls, die sich aufgrund des Auftreffens auf den Gegenstand oder das Objekt ergibt, festgestellt oder gemessen wird.
  8. 8. Vorrichtung zur akustischen Abbildung, dadurch gekennzeichnet , daß dieselbe die folgenden Bauelemente aufwiest: ein akustisches Ausbreitungsmedium, eine Anordnung zum Ausbilden einer akustischen Linse mit einem vorherbestimmten Brennpunkt an dem Ende des Ausbreitungsmediums, einer Anordnung für das Erzeugen eines akustischen Strahls mit einer vorherbestimmten Frequenz in dem Medium gerichtet auf die akustische Linse zwecks Konvergieren der akustischen Energie auf den Brennpunkt, eine Anordnung für das Tragen des abzubildenden Gegenstandes oder Objektes in einem fließfähigen Medium, das um den Brennpunkt herum vorliegt, und eine Anordnung für das Feststellen der akustischen Energie bei einer Differenzfrequenz, die sich durch die Wechselwirkung des akustischen Strahls mit dem fließfähigen Medium oder dem eigentlichen Gegenstand oder Objekt ergibt.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichn et , daß die Feststell- oder Meßanordnung einen planen piezoelektrischen Wandler eng benachbart zu dem Brennpunkt aufweist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorliegt für das Reflektieren der sich durch die Wechselwirkung ergebenden akustischen Energie zurück zu der akustischen Linse.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlenspalter in dem Ausbreitungsmedium vorliegt für das Trennen der einfallenden und reflektierten akustischen Energie.
    609825/0307 -16-
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung für das Erzeugen eines zweiten akustischen Strahls vorliegt, der mit dem ersten akustischen Strahl koinzidiert, jedoch eine unterschiedliche Frequenz besitzt, und die Festseil- bzw. Meßanordnung so vorliegt, daß die sich aufgrund der Wechselwirkungen beider Strahlen ergebenden Summen- und/oder Differenzfrequenzen festgestellt bzw. gemessen werden.
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