DE1514982C3 - Ultraschallzelle zur Ablenkung eines Lichtstrahles - Google Patents

Description

eine Sinusform, muß der Lichtstrahlürchmesser

genügend klein sein, damit der ganze Durchmesser

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallzelle zur im wesentlichen denselben Brechungsgefällequotienten

Ablenkung eines Lichtstrahles, insbesondere eines erfährt, wenn eine minimale Streuung des Lichtstrahles

Laserstrahles, durch Zusammenwirken des einfallenden 40 stattfinden soll. Die Zellenanordnung einer akustischen

Strahles, mit einem im akustischen Medium der Zelle stehenden Welle ist wünschenswerter als die Anordnung

durch eine von einem Wandler erzeugten stehenden einer wandernden Welle. Da die Änderung des

Welle bewirkenden Dichtegefälles senkrecht zum Brechungsgefällequotienten durch den Lichtstrahl

Lichteinfall. . kleiner ist, ist das Dichtegefälle ungefähr das Doppelte,

Derartige Ultraschallzellen haben den Nachteil, 45 und eine stehende Welle benötigt auch weit weniger

daß sie nur eine geringe Strahlablenkung ermöglichen Antriebsleistung. Wenn der Ablenkwinkel genügend

und daß häufig Querkopplungen auftreten. groß ist, daß die Ablenkung in der Zelle bedeutsam

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ' ist, erfährt der Lichtstrahl, wenn er durch die Zelle UltraschallzelledereingangsgenanntenArtzuschaffen, geht, einen abnehmenden Brechungsgefällequotienten, weiche Resonanzeinstellungen ermöglicht, Querkopp- 50 und somit hat die Zellenlänge eine praktische Höchstlungen im Wandler vermindert, insbesondere durch grenze.

die Herabsetzung von Dichteschwankungen entlang Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer der Ultraschallwellenfront, und höhere Ablenkwinkel Ultraschall-Abtastzelle, in welcher ein Ultraschallergibt, erzeuger 10, gespeist durch hier nicht gezeigte Mittel,

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß 55 eine stehende Welle in dem Mittel 12 erzeugt. Zu der

der Wandler aus einer in einer Fläche angeordneten Zeit./ wird die Ultraschallwelle der Wellenlänge λϊ

Anzahl von segmentförmigen Teilen besteht, deren ein Druckgefälle,, haben, wie in der Kurve T₁ gezeigt

Abmessung kleiner als eine halbe Wellenlänge der ist, und der Strahl wird gebeugt, wie es iji T₁ angedeutet

erzeugten Ultraschallwelle ist. . ist. Es djürfte erwähnt werden, daß die Kurve T₁ das

Es ist zwar bereits bekannt, Ultraschallschwinger 60 akustische Druckgefäß in der Zelle darstellt, in

mosaikartig zu unterteilen, wobei die einzelnen Teile welcher der Teil der Kurve rechts der Mittellinie

unter Verwendung von Zwischenschichten aus Dämp- Bereiche höherer Dichte zeigt und der Teil der Kurve

f ungsmasse miteinander in Verbindung stehen, jedoch links der Mittellinie Bereiche niedriger Dichte zeigt,

erfolgt diese Maßnahme nur zur Beseitigung von Zu einem Zeitpunkt, der eine viertel Periode später

Radialschwingungen. Eine möglichst große, von der 65 kommt, ist das Druckgefälle in dem Mittel 12 durch

Amplitude und Frequenz der in einer Ultraschallzelle die Kurve T₂ gezeigt, d, h., es ist kein Druckgefälle

erzeugten Ultraschallwelle linear abhängige Ablenkung im Mittel, und der Lichtstrahl wird nicht abgelenkt,

eines Lichtstrahles läßt sich damit nicht erzielen. Eine weitere viertel Periode später ist das Druckgefälle

durch die Kurve T._t gezeigt, diese Kurve ist um 180^J phasenversetzt gegen die Originalkurve T₁, und der Lichtstrahl 14 ist in eine Stellung gebengt, wie sie in der Figur gezeigt ist.

F i g. 1 und 2 zeigen die Konstruktion der Ultraschall-Ablenkungszelle. Mit Ausnahme der Fenster, des Ultraschallverstärkers, und der Dichtungen wird die ganze Zelle vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Der Hauptzellenkörper 20 hat zwei Ausschnitte 22 und 22' für die Fenster 24 und 24', um den Lichtstrahl durchzulassen. Die Fenster sind in die Rahmen 26 und 26' eingepaßt, die am Zellkörper 20 befestigt sind. Ein Druckkolben 28 ist an einer Längs-' seite des Zellkörpers 20 angebracht. Die Funktion des Kolbens wird später ausführlicher erklärt werden. Ein Wandler oder Ultraschallerzeuger 32 ist auf der Endplatte 30 montiert, das Ganze wird an einer Seite des Zellkörpers 20 befestigt. Die andere Seite des Zellkörpers begreift eine Endplatte 34, welche einen 0-Ring hat, welcher Feineinstellungen erlaubt zum Erzielen der Zellresonanz durch Verstellen der Halteschrauben· des Endblocks (nicht gezeigt). Die Streifen 38 sind O-Ring-Halterlingen. Eine grobe Resonanzeinstellung wird durch Abstandsstücke verschiedener Dicke erzielt (nicht gezeigt), welche zwischen den Verstärkerendblock 30 und den Zellkörper 20 eingeführt werden, während die Dichtung durch einen 0-Ring in der 0-Ringrille (nicht gezeigt) in dem Zellkörper festgehalten wird zum Abdichten zwischen dem Abstandsstück und dem Zellkörper.

Fig. 2 a zeigt einen nicht montierten Wandler 32 mit seinem zugehörigen Endblock 30. Der Wandler wird auf luftunterstützte Art betrieben durch den Gebrauch einer Dichtung 40 aus Silikonschaumgummi einer geschlossenen Zelle als Druckentspannung. Eine weitere Entspannung erreicht man durch Unterteilen des Verstärkerendblockes in Taschen 42. Der Verstärker 32 ist mit der Dichtung 40 und die Dichtung40 mit der Endplatte durch Klebestoffe verbunden. Die Kante der Dichtung kann vor dem Flüssigkeitsmittel der Zelle geschützt werden durch Auftragen mehrerer Schichten einer elastischen Dichtungsmasse. Dies kann notwendig sein, da der Schaumgummi nichtallen Flüssigkeiten gegenüber vollständig undurchlässig ist.

Im Zusammenbau ist die innere Verstärkerelektrode an den Zellkörper angeschlossen, und die äußere Elektrodenleitung ist durch eine Öffnung im Endblock 44 nach außen geführt. Diese Öffnungen erlauben auch Gegendruckerzeugung mit Luftdruck, wenn der innere Zellendruck hoch ist.

Das bevorzugte Zellenmaterial ist eine Flüssigkeit mit'hohem Brechungsindex, es können aber auch feste Körper sein, wie Kristallinquarz oder Lucit, und sogar Wasser kann benutzt werden. Tetrachloräthylen wurde benutzt, weil es weder brennbar wie Kohlenstoffdisulfid noch giftig wie Kohlenstofftetrachlorid ist. Tetrachloräthylen ist ebenfalls ein gutes Benetzungsmittel, die Zelle läßt sich damit leicht auffüllen, und man erhält wenig Störungen durch eingefangene Luft oder durch Anhaften von Gasblasen an den inneren Flächen.

Beim Arbeiten wird der Wandler betätigt, um eine stehende Schallwelle zwischen der Vorderseite des Wandlers und dem gegenüberliegenden Endblock einzustellen. Größere Abstimmungseinstellungen werden mittels der Abstandsstücke zwischen dem Wandlerendblock 30 und dem Zellkörper ausgeführt, und Feineinstellungen können vorgenommen werden durch Komprimieren oder Entspannen eines 0-Rings mittels der Schrauben im gegenüberliegenden Endblock 34. Eine Kavitation der Zeilenfliissigkeit wird verhindert, wenn die Zelle unter Druck arbeitet, was zusätzlich beim Stabilisieren der stehenden Welle hilft durch festes Einstellen der Lage des Wandlers. Die Druckerzeugung erfolgt durch die Betätigung des Kolbens 28 durch eine Schraubkappe, welche oben auf

ίο dem Zellkörper 20 befestigt ist.

Die Größe des Ablenkungswinkels des Licht- oder des Laserstrahles ist hauptsächlich durch die Wellenlänge der Schallwelle bestimmt, den Brechungsindex der Flüssigkeit und den Höchstdruck. Die Verzerrung des Lichtstrahles, welche durch die Brechung eines sinusförmigen Dichtegefälles hervorgerufen wird, das von einer stehenden Schallwelle erzeugt wird, ist eine Funktion des Verhältnisses des Lichtstrahldurchmessers zur Schallwellenlänge. Das bevorzugte Mittel in der Zelle ist für eine Geschwindigkeit gewählt, welche die gewünschte Wellenlänge bei der gewünschten Frequenz ergibt, um Strahlverzerrungen auszuschalten, und unter Berücksichtigung des Brechungsindexes und der Übertragungscharakteristiken des Mittels.

Die folgende Tabelle ist eine Zusammenfassung der Resultate, welche beim Studieren von Ultraschallablenkzellen, die in Druckschwingungsart betrieben werden, mit einer optischen Weglänge durch das Ultraschallfeld von 4 Zoll (10-16 cm) oder kleiner.

Material	Brechungs	Frequenz	Ablenkung
	index	(KHz)	(Gradj·
Kristalliner Quarz	1,54	450	1,2
35 Lucit	1,50	100	0,2
Wasser ... .	1,33	150	1,5
Tetrachloräthylen	1,50	120	2,2
		147	3,5
		326	6,0
40 Tetrachloräthylen
mit Mosaik
wandler		100	2,4

Der Betrag der Ablenkung, wie er sich beim Gebrauch eines festen Mittels ergibt, kann in höheren Frequenzen verbessert werden. Ein flüssiges Mittel erfordert normalerweise den Gebrauch von kleineren Frequenzen. Die obengenannten Resultate wurden durch den Gebrauch einer sinusförmigen akustischen stehenden Welle erhalten. Es wird jedoch bemerkt, daß die bevorzugte Ausführungsform die Anwendung einer Dreieckwelle ist, welche ein viel lineareres Dichtegefälle ergibt.

Unter Vernachlässigung einiger endlicher Amplitudeneffekte ist es theoretisch möglich, eine Ablenkung von Spitze zu Spitze von 10° zu erzeugen mit herkömmlichem Material in einer 4 Zoll (10 · 16 cm) langen Zelle mit einer stehenden Dreieckwelle.

Die maximale Ablenkung, welche nur auf experimentellem Wege mit Tetrachloräthylen bei 100 KHz erhalten wurde, ist 2,4°. Von diesem Betrag ist ungefähr 1,6° dem Brechungsindexgefälle in der Zelle zuzuschreiben, und der Rest stammt von der natürliehen Brechung an der Glas-Luftgrenzschicht beim Auftreten des Strahles aus der Zelle.

Es war nicht möglich, einen ferroelektrischen Wandler von brauchbarer Größe zu konstruieren,

welcher nicht unerwünschte Schwingungsarten hatte, der Schallwelle mit einer beträchtlich kleineren

wie sie bei der Frequenz der ersten Dickenart bestehen. Frequenz als die Ultraschallfrequenz, und dabei wird

Der Effekt der Querkupplung ist, das Dichtegefälle eine zweidimensionale Flächenüberdeckung erreicht,

und damit auch die Lichtstrahlablenkung herabzu- F i g. 5 ist ein Blockschema eines optischen BiId-

sclzcη und die Wahrscheinlichkeit einer Wirbel- 5 systems, in welchem die neue Zelle dieser Erfindung

strömung durch die Änderung der Partikelgeschwin- benutzt wird. Ein sehr stark gerichteter Lichtstrahl

. digkeit längs der Wellenfront zu vergrößern. wird mit dem Laser 50 erzeugt und dann auf den

Um den Betrieb des Wandlers bei seiner Resonanz maximalen Durchmesser kondensiert, welcher von den zu erlauben, wird ein Mosaikwandler, wie in F i g. 4 Abtastzellen aufgenommen werden kann, ohne Aufgezeigt, verwendet, in welchem die einzelnen Elemente io lösungsverlust. Der Laserstrahl wird durch die vertides Wandlers Qucrschnittsdinicnsionen haben, welche kale Zelle 52 und die horizontale Zelle 54 in zwei kleiner als die Hälfte einer Wellenlänge sind. Die orthogonale Richtungen abgelenkt. Die Zellen werden Mosaikelemente werden gebildet durch teilweises durch den Ultraschalloszillator 56 getrieben. Der Schneiden durch den Wandler. Für einen Ultraschall- Ausgang des Oszillators 56 ist amplitudenmoduliert erzeuger \on 5· 10 cm haben die Elemente ungefähr 15 durch den Niederfreqiienzmodulator 58, und. das 8 mm- Querschnitt. Die Elektroden der Schnittfläche modulierte Signal wird sofort der Horizontalzelle 54 sind mit einer Aluminiumfolie verbunden und mit einem zugeführt und um 90" durch den Phasenverschieber 60 leitenden Klebstoff, und diese Oberfläche ist mit dem phasenverschoben, ehe es der vertikalen Zelle züge-Druckentspannungsmatenal verbunden. Auf diese führt wird.

Weise ist der Flüssigkeit eine ebene Fläche geboten. 20 Der abgelenkte Laserstrahl tastet ein Ziel 62 ab,

' Experimente haben einen Q von 52 fürden eingebauten und wenn der Strahl die Zielfläche durchquert, wird

Wandler ergeben. Es ist daher klar, daß der Gebrauch die Strahlung einer bestimmten kleinen Fläche, welche

des Mosaik-oder scgmentierten Wandlers die Leistung vom Laserstrahl in einem bestimmten Augenblick

der Zelle beträchtlich verbessert bei Benutzung eines bedeckt ist, in einen breiten beständigen Winkel

flüssigen Mittels, und dies ist folglich die bevorzugte 25 zerstreut. Ein Teil dieser Streustrahlung wird von

Ausfülmmgsform. einem Empfänger 64 gesammelt, welcher dann, die

Bevorzugte Wandlcrmaterialicn sind jene, weiche Strahlung auf einen Detektor 66 bündelt. Am Detektor

einen hohen Q besitzen, wie ein Blei-Zirkonium-Titan- wird die Helligkeitsmodulation der Ausstrahlung,

Material PZT-4. welches auch widerstandsfähig und bestimmt durch die Änderung der Reflexionskraft

nicht teuer ist. Es ist klar, daß auch andere Wandler- 30 der Ziellläche, in einen modulierten Elektronenstrom

materialien gebraucht werden können. umgeformt. Dieses Elektronensignal wird dann ver-

Wcgen der sinusoidalen Natur des Dichtegefälles stärkt bei 68 und dem Hclligkeitssteuergitter einer wird die Winkelablenkung des Lichtstrahles nicht Kathodenstrahlröhre 70 zugeführt. Der Elektronenlinear sein, wenn eine beträchtliche Ablenkung in der strahl der Kathodenstrahlröhre wird also entsprechend Zelle stattfindet. In anderen Worten, wenn der Strahl 35 der Reflexionskraft der Zielfläche moduliert. Um die abgelenkt wird, erfährt er""cin abnehmendes Dichte- relativen Winkelstellungen der Zielfläche und des gefälle, wenn er um ein Viertel der Schallwellenlänge Phosphorbildes der Kathodenstrahlröhre zu synin transversaler Richtung zu der Achse des Licht- chronisieren, übermittelt der Abtastgenerator gleichstrahlcs versetzt worden ist, erfährt er ein Gefälle in zeitig Steuersignale an das Ablenkungssystem der der entgegengesetzten Richtung. ■ 40 Kathodenstrahlröhre und die Laserstrahlablenkungs-

Ein weiteres Merkmal dieser Zelle ist die Abstim- zellen, wie bei X und Y gezeigt ist. mung der Zellresonanz mittels Druckerzeugung durch Eine Entfernungseinstellung kann in einem Laserden. Kolben 28. Der Hauptzweck des Druckkolbens Bildsystem erforderlich sein. Eine Änderung der ist. die Kavitation der Flüssigkeit in der. Zelle zu Entfernung im Innern der Zielfläche kann Verzerrunvcrhindern. ein dem Fachmann gut bekanntes Hilfs- 45 gen hervorrufen, und der Verzerrungsgrad oder die mittel. Der Druck auf die Flüssigkeit ergibt jedoch Abweichungen von einer richtigen geometrischen ebenfalls eine kleine Zusammenpressung der Dichtung Reproduktion hängen von der Schärfe der Entfernungs-40. und eine Zunahme des Druckes setzt die Frequenz umrißlinien ab. Im Falle einer Spiralabtastung wird der Zcllresonanz herunter. Eine Abnahme des Druckes eine Zielfläche konstanter Entfernung einfach durch ■wird jedoch ein Steigern der Resonanzfrequenz der 50 eine Rotation des Oszillogramms verbessert, da die Zelle bedingen. Auf diese Weise erhält man ein feines Periode für jede Abtastzelle konstant ist. Abstimmen der Zellfrequenz durch Einstellen des Neben den aktiv optischen Bild- und Such-Gleich-Druckes. Wenn zwei Zellen angewandt werden, um laufanwendungen der Laser sind viele andere Aneine kreisförmige Abtastung zu erzeugen, wie es Wendungen eines optischen Ultraschall-Strahlab'lennachfolgend beschrieben wird, entsteht eine elliptische 55 kungssystems möglich. Die Ultraschall-Abtasttechnik Figur, wenn die zwei Zellen nicht auf eine identische bietet die Möglichkeit, eine nichtmechanische optische Frequenz abgestimmt sind. Um die Feinabstimmung Abtastung zu schaffen, welche elektronisch gesteuert zu erhalten, kann der Druck einer Zelle vergrößert und. mit Bildgeschwindigkeiten programmiert werden oder verkleinert werden, bis als Resultat ein Kreis kann. Vorteile der Schallabtastung im Vergleich zu entsteht. ο . - 6o herkömmlichen Radar- und mechanischen Abtastun-

Bei Anwendung von zwei Ablenkzellen, die eine < gen sind größere Auflösung, Geschwindigkeit und

horizontal und die andere senkrecht, wie es in F i g. 1 Genauigkeit. Zusätzlich arbeiten sie auf viel tieferen

gezeigt ist, und beim Antrieb der beiden Zellen mit Spannungsstufen als vergleichbare Strahlablenkungs-

demselben Ultraschall-Leistungsoszillator mit einer mittel. Andere Gebiete einer nützlichen Anwendung Phasenverschiebung von 90° zwischen ihnen kann eine 65 sind Lichtpunktabtaster, Oszillogramm-Kennapparate,

kreisförmige Abtastung erzeugt werden. Diese Ab-. Datendarstellung und Zähleranzeigesysteme für Rech-

lasiung kann dann spiralförmig bewegt werden durch ner sowie Kartierung, Überwachung und Ziclcrken-

. Modulieren der Antriebsleistung, d. h. der Amplitude nung mit hohem Auflösungsvermögen. . ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen . ~

Claims (6)

Patentansprüche· ^ie Erfindung ist im folgenden an Hand schema- tischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel

1. Ultraschallzelle zur Ablenkung eines Licht- ergänzend beschrieben.

Strahles, insbesondere eines Laserstrahles, durch F i g. 1 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Zusammenwirken des einfallenden Strahles mit 5 Ultraschallzellen nach der Erfindung, die hintereinem im akustischen Medium der Zelle durch einander geschaltet sind zum Erzeugen einer zweieine von einem Wandler erzeugten stehenden dimensionalen Strahlablenkung;
Welle bewirkenden Dichtegefälles senkrecht zum F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer in Lichteinfall, d a d u r c h gekennzeichnet, ihre Einzelteile zerlegten Ultraschallablenkzelle;
daß der Wandler (32)'aus einer in einer Fläche Ίο . Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht einer angeordneten Anzahl von segmentförmigen Teilen zerlegten Endplatte der Ultraschallzelle nach Fig. 2; besteht, deren Abmessung kleiner als eine halbe F i g. 3 ist eine Schemazeichnung zur Veranschau-Wellenlänge der erzeugten Ultraschallwelle ist lichung der Arbeitsweise der Ultraschallzelle;
(F i g. 4). F i g. 4 zeigt den eigentlichen Schwinger für die

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 15 Ultraschallzelle nach Fig. 1;

kennzeichnet, daß eine ebene Fläche des Wandlers F i g. 5 ist ein Blockschaltbild eines optischen

mit dem akustischen Medium in Kontakt steht Bildsystems, in dem die Zellen angewandt werden,

und eine zweite Fläche aus einer Anzahl segment- Das physikalische Grundgesetz, auf welchem die

förmiger Teile besteht. optische Strahlabtastzelle beruht, besteht darin, daß

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, 20 ein Lichtstrahl,welcherdurch ein Dichtegefälle senkrecht dadurch gekennzeichnet, daß ein Isoliermaterial zur Lichtfortpflanzung geht, zum Bereich mit höherem die segmentförmigen Teile des Wandlers trennt Brechungsindex hingebogen wird. Somit wird bei der und der Wandler an einer Fläche (30) der Zelle Aufstellung einer stehenden Ultraschallwelle in einem befestigt ist. Brechungsmittel ein zeitlich änderndes sinusförmiges

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, 25 Dichtegefälle eingestellt, welches abwechselnd einen dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Lichtstrahl, der eine Knotenebene passiert, mit der akustischen Mediums in der Zelle durch mecha- Ultraschall-Arbeitsfrequenz hin und her brechen wird, nische Mittel (28) eingestellt wird, um die Resonanz- Die Winkelablenkung <?, um welche ein Lichtstrahl frequenz der Zelle zu regulieren. abgelenkt wird, wenn er ein Schallfeld durchquert, ist

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, 30 direkt proportional der Weglänge δ im Feld, der dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckablaß- akustischen Druckänderung ΔΡ, der Kompressionsvorrichtung (40) an die Zelle angeschlossen ist. fähigkeit k des Materials und ist ein optischer Aus-

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, druck des Brechungsindex («³—1), («²+2)/6n und dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Me- ist umgekehrt proportional zu der Schallwellenlänge/s. dium eine Flüssigkeit ist. 35 Wenn ΔΡ eine nichtlineare Funktion ist, wie z. B.