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Phasenkontrastverfahren zur Messung von Ultraschallfeldern

MEC 2006: Beste Mechatronik-Diplomarbeit an der Johannes Kepler Universität

Erwin K. Reichel

Erwin K. Reichel

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein optisches Messsystem entwickelt, mit welchem akustische Felder, erzeugt von Transducern wie sie in der medizinischen Diagnose eingesetzt werden, visualisiert und quantitativ vermessen werden können. Dieses basiert auf dem Phasenkontrastverfahren, welches aus der Mikroskopie bekannt ist. Die Wellenfront kurzer Laserimpulse (etwa 150 ps) welche synchron zur Ultraschallquelle erzeugt werden, wird nach Fourier-optischen Prinzipien mittels eines pixeladressierbaren Lichtmodulators gefiltert. Die durch die akustischen Wellen verursachten Phasenunterschiede werden somit in Intensitätsbilder transformiert und mit einer CCD Kamera aufgenommen und digitalisiert. Es werden mehrere Bilder bei unterschiedlichen Filterfunktionen verwendet um die Phaseninformation zu rekonstruieren. Ein Schwerpunkt, neben dem Aufbau des Messsystems, lag darin Algorithmen zu entwicklen, mit welchen die Phaseninformation über einen möglichst großen Bereich (einige Vielfache von Pi) eindeutig berechnet werden kann. Aus dieser kann dann unter Berücksichtigung des piezo-optischen Effekts und mit Hilfe von dreidimensionalen Rekonstruktionsverfahren auf das momentane Druckfeld, zum Zeitpunkt der Belichtung, geschlossen werden.

Der theoretische Teil umfasst die Beschreibung des gesamten optischen Systems mit Hilfe der kohärenten Lichttheorie (Wellenoptik) und der Fourieroptik. Dieses Modell wurde diskretisiert um es auf einem Digitalrechner simulieren zu können. Messungen wurden mit Ultraschallsonden im Pulsbetrieb und mit harmonischer Anregung durchgeführt und mit Hydrophonmessungen verglichen.

Der große Vorteil dieser Methode gegenüber einer Hydrophonvermessung des akustischen Feldes liegt darin, dass die Messzeit um ein Vielfaches reduziert werden kann und keine störende Rückwirkung auftritt. Die entwickelte Messmethode ist eine spezielle Anwendung und Erweiterung des Phasenkontrastverfahrens und zeichnet sich gegenüber kommerziellen optischen Ultraschallmesssystemen, welche nach dem Schlieren- oder Dunkelfeldverfahren arbeiten dadurch aus, dass das tatsächliche momentane Druckfeld gemessen wird und optische Störungen weitgehend auf einfache Art eliminiert werden können.

In Abbildung 1 ist das Messprinzip dargestellt. Das akustische Feld in der Ebene F10 verursacht Phasendrehungen des Laserlichts. Die Linse L1 arbeitet als Fouriertransformator. Der Lichtmodulator in der Ebene F11=F20 agiert als Filter und die Linse L2 erzeugt das resultierende Bild in der Ebene F21. In Abbildung 2 sind Messergebnisse für einen Transducer mit harmonischer Anregung dargestellt. Oben ist eine Momentanaufnahme des Schallfeldes zu sehen, darunter ist das Intensitätsprofil zu sehen welches aus einer Sequenz von Momentanaufnahmen berechnet wurde.

Abbildung1

Abbildung 1

Abbildung 2

Abbildung 2

Abbildung 3

Abbildung 3

April 2006