(57)【要約】【課題】光信号を用い且つ画素数と信号伝送経路との対応関係がＮ：１の割合となるような超音波受信センサ及び超音波受信装置を提供することを課題とする。【解決手段】超音波受信センサ１は、各画素が特定波長の光のみを透過させるＮ画素の波長フィルターアレイ５と、それを透過した光を受信超音波の特性を反映させた位相に変調させるＮ画素のマイクロダイヤフラムアレイ３と、探査光及び信号光の伝送を行う光ファイバ９と、光ファイバから放射された拡散光である探査光を平行光となる探査光に変換すると共に波長フィルターアレイからの平行光である信号光を収束光となる信号光に変換するコリメート結合レンズ７とを備える。さらに、超音波受信装置１１は、かかる超音波受信センサ１と、マイクロダイヤフラムアレイにて変調された信号光を受信超音波に対応する信号に復調する光復調部とを備える。【選択図】図１
2005175919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各画素が特定波長の光線のみを透過させるＮ画素の波長フィルター手段と、
前記波長フィルター手段の前方に配置され、該波長フィルター手段を透過した光線を受信超音波の特性を反映させた位相に変調させるＮ画素のマイクロダイヤフラム手段と
を備えたことを特徴とする超音波受信センサ。
【請求項２】
前記波長フィルター手段の後方に配置され、該波長フィルター手段に探査光を照射すると共に前記マイクロダイヤフラム手段によって位相変調された信号光を回収する単一の光伝送経路からなる光提供回収手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波受信センサ。
【請求項３】
前記光提供回収手段は、探査光及び信号光の伝送を行う光ファイバと、該光ファイバ及び前記波長フィルター手段の間に配置され、該光ファイバから放射された拡散光である探査光を平行光となる探査光に変換すると共に前記波長フィルター手段からの平行光である信号光を収束光となる信号光に変換するレンズとを備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波受信センサ。
【請求項４】
前記波長フィルター手段及び前記マイクロダイヤフラム手段の画素外縁は、使用する光線の横断形状に倣うように配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波受信センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波受信センサと、
探査用の光線を発振する光源と、
前記マイクロダイヤフラム手段にて変調された光線を前記受信超音波に対応する信号に復調する光復調部と
を備えたことを特徴とする超音波受信装置。
【請求項６】
前記超音波受信センサはＭ個設けられており、
前記光復調部と各超音波受信センサの前記光提供回収手段との間には１×Ｍチャンネルの光スイッチが設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の超音波受信装置。
【請求項７】
画素位置に応じて光線の強弱を補正する画素間補正機能を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の超音波受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を受信するための超音波受信装置に関するものである。特に、不可視液体中に存在する被計測対象物からの反射超音波を受信し、その被計測対象物の形状等を特定する検査分野、例えば原子炉容器内の異物検査のための超音波受信装置および受信センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体中の被計測対象物の形状等を精度よく計測する技術としては、例えば特開２０００−２８５８９号公報に開示された３次元超音波画像化装置がある。かかる装置では、複数の圧電素子がマトリックス状に配置されている超音波トランスデューサを用いて、被計測対象物の形状等を画像化する。そのため、受信用切替回路への信号伝送線と発信用切替回路への信号伝送線とが複数の圧電素子毎に設けられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２８５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、信号の伝送においては、使用する信号伝送線の細径化、ノイズの影響の受けにくさ、伝送可能距離などの観点で、電気信号よりも光信号の方が好ましく、そのため、光信号を用いた画像化が望まれている。また、画像化にはより解像度の高いものが求められるようになっており、すなわち、被計測対象物の情報を受け取る受信位置（画素）数は増大していく傾向にある。しかしながら、上記特許文献１の装置においては、受信位置（画素）と信号伝送経路とが１：１の対応関係にある。このため、上記特許文献１の装置の電気信号伝送手段を、単に光信号伝送手段に置き換えていくだけでは、次のような問題が生じる。
【０００５】
すなわち、
（１）高解像度化のために画素数を増大させると、光ファイバの本数も画素数に比例して多くなり、結果的にファイバケーブルの取り巻きが煩雑になったり、ファイバを束ねた伝送信号ケーブルの自重や外径が増大し、受信センサの取り付け個所などに制約を受ける（また、任意に受信センサを移動させる手段に対し自由度が少なくなる）、さらに、
（２）画素数の増大は、同時に画素毎のファイバに、レーザ光をシリアル的に切り替えて送受信する多チャンネルのスイッチが必要になり、計測時間の短縮のためにその切り替え時間の高速化が課題となる等、超音波受信装置全体に技術的な負担が大きくなる、
という問題が存在しうる。
【０００６】
従って、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、光信号を用い且つ画素数と信号伝送経路との対応関係がＮ：１の割合となるような超音波受信センサ及び超音波受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するため、本発明の超音波受信センサは、各画素が特定波長の光線のみを透過させるＮ画素の波長フィルター手段と、前記波長フィルター手段の前方に配置され、該波長フィルター手段を透過した光線を受信超音波の特性を反映させた位相に変調させるＮ画素のマイクロダイヤフラム手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
好適には、前記波長フィルター手段の後方に配置され、該波長フィルター手段に探査光を照射すると共に前記マイクロダイヤフラム手段によって位相変調された信号光を回収する単一の光伝送経路からなる光提供回収手段をさらに備えている。
好適には、前記光提供回収手段は、探査光及び信号光の伝送を行う光ファイバと、該光ファイバ及び前記波長フィルター手段の間に配置され、該光ファイバから放射された拡散光である探査光を平行光となる探査光に変換すると共に前記波長フィルター手段からの平行光である信号光を収束光となる信号光に変換するレンズとを備えている。
さらに、前記波長フィルター手段及び前記マイクロダイヤフラム手段の画素外縁は、使用する光線の横断面形状に倣うように配列されていると好適である。
【０００９】
また、同目的を達成する本発明の超音波受信装置は、前述した超音波受信センサと、探査用の光線を発振する光源と、前記マイクロダイヤフラム手段にて変調された光線を前記受信超音波に対応する信号に復調する光復調部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
超音波受信センサはＭ個設けられており、前記光復調部と各超音波受信センサの前記光提供回収手段との間には１×Ｍチャンネルの光スイッチが設けられていてもよい。
超音波受信装置は、好適には、画素位置に応じて光線の強弱を補正する画素間補正機能を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、画素数と光信号伝送経路との対応関係をＮ：１の割合となるようにすることができ、信号伝達経路はあくまでも簡易構成を維持しながらも解像度を高める信号伝達を行うことが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１に本発明の２次元超音波受信センサの基本構成図を示し、図２にその図１の超音波受信センサを用いた本発明の超音波受信装置の全体構成を示す。まず、図１の超音波受信センサ１について説明する。超音波受信センサ１は、マイクロダイヤフラムアレイ３と、波長フィルターアレイ５と、コリメート結合レンズ７と、光ファイバ９とを備えている。波長フィルターアレイ５として、本実施の形態では、図１に示されるように、Ｘ，Ｙ軸方向それぞれ８列すなわち８行８列の正方マトリックスに波長フィルタが配列される態様を採用する。また、コリメート結合レンズ７及び光ファイバ９は、波長フィルターアレイ５に探査光を照射すると共にマイクロダイヤフラムアレイ３によって位相変調された信号光を回収する単一の光伝送経路からなる光提供回収手段を構成する。コリメート結合レンズ７は、光ファイバ９から放射された拡散光である探査光を平行光となる探査光に変換すると共に、波長フィルターアレイ５からの平行光である信号光を収束光となる信号光に変換する。
【００１４】
光ファイバ９により導かれた任意波長の光ビームは拡散光（探査光）として発散広がりを有しながらファイバ９の端部から出力される。仮に、この時の拡散光のビーム波長を、一例として、６行３列目のフィルタ部分に対応するものとして、λ［６，３］と表記する。そのλ［６，３］のビーム拡がりは、前方のコリメート結合レンズ７により、平行な光ビームに変換される。その平行光（探査光）λ［６，３］は、更に前方の各画素で透過中心波長が異なるＮ画素の波長フィルターアレイ５へ出力される。なお、本出願の請求の範囲及び明細書では、光信号の進行経路に関し、被計測対象物に近い側を「前方」、遠い側を「後方」として記述している。また、本実施の形態では、波長フィルターアレイ５と前述のコリメート結合レンズ７との配置関係は、お互いに平行に置かれるのではなく、わずかに傾斜して配置されていると好適である。その理由は、波長フィルターアレイの裏面反射光が光ファイバに結合することを防ぐためである。
【００１５】
さて、平行光λ［６，３］は波長フィルターアレイ全画素を透過するのではなく、透過中心波長λ［６，３］だけ通すフィルタ画素の開口部分だけを透過し、他画素は透過せず、反射もしくは吸収することでマイクロダイヤフラムへの直進を防いでいる。本実施の形態では、そのフィルタ特性λ［１，１］〜λ［８，８］まで計６４種類の中心透過波長が異なる光バンドバスフィルタを波長フィルターアレイ５として使用している。具体的な数値例を言えば、現在、光通信で実用化されている波長１．５３〜１．６１μｍにおける８０ｎｍの光波長利用帯で透過波長幅０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）のＷＤＭ（波長多重通信方式）バンドパスフィルタを用いれば、１００種類の波長を本発明で利用することが可能である。つまり、λ［１，１］〜λ［１０，１０］の波長フィルターアレイでは１００画素が実現できる。今後、さらに光利用波長帯の拡大もしくは、バンドバスフィルタ透過波長幅の狭帯域化が進めば、画素数を多くすることも可能である。
【００１６】
このように、各画素での波長による画素位置の識別を特徴とする本発明において、任意波長を設定した探査光ビームにより、一義的に超音波を計測する画素位置が定まり、全画素をスキャンして計測を行う際には、探査光の波長をスキャンすることで全画素を連続的に切り替えて測定することができる。
【００１７】
さて、平行光λ［６，３］の例に話を戻す。前述のように波長フィルターアレイ５におけるλ［６，３］に相当する画素のみを透過する探査光λ［６，３］は、光ファイバ９からコリメート結合レンズ７を通って波長フィルターアレイ５に近接し、その画素配列に対応したマイクロダイヤフラムアレイ３に到達（出力）する。ただし、この時のマイクロダイヤフラムアレイ３と波長フィルターアレイ５との相対位置関係は、平行である必要はなく、結果的にマイクロダイヤフラムアレイ３からの反射光が、再度、波長フィルターアレイ５、コリメート結合レンズ７を介して、光ファイバ９の出力端に帰還結合できるように調整されていればよい。
【００１８】
各画素で独立したマイクロダイヤフラムアレイ３は、好適な一例として薄膜の金属板で構成されており、受信センサ外部からの超音波により、その金属板がわずかに振動できることを目的としている。その振動特性は、受信した画素位置での超音波特性を反映したものでなければならない。
【００１９】
次に、図２に基づいて、超音波受信装置について説明する。超音波受信装置１１は、光ファイバによって図２のように相互接続される波長可変レーザ（光源）１３、光分配器１（光復調部）５、光サーキュレータ（光復調部）１７、光結合器（光復調部）１９、受光装置（光復調部）２１を備えている。また、かかる超音波受信装置１１は、受光装置２１の部分において信号解析装置２３に接続され、さらに信号解析装置２３には、モニタ２５及び超音波発進装置２７が接続されている。超音波発進装置２７からは超音波送信器２９が延びている。
【００２０】
次に、上記のような構成を有する超音波受信センサ１及び超音波受信装置１１の作用について説明する。波長可変レーザ１３から発射されたレーザは、光分配器１５及び光サーキュレータ１７を通って光ファイバ９の端部から探査光としてコリメート結合レンズ７に放出される。探査光はコリメート結合レンズ７において拡散光から平行光に変換され、波長フィルターアレイ５を経てマイクロダイヤフラムアレイ３に照射される。さて、例えば、探査光λ［６，３］に相当する画素位置にあるマイクロダイヤフラムアレイ３に光が入射すると、その位置での超音波特性を反映した金属板の振動により、光は、位相変調を受ける。このように探査光λ［６，３］がマイクロダイヤフラムアレイ３によって位相変調受けた後、反射して光ファイバ９へ帰還する光を信号光λ［６，３］と定義する。マイクロダイヤフラムアレイ３で反射した信号光λ［６，３］は、前述した探査光λ［６，３］と同じルートで逆方向に直進し光ファイバ９へ帰還結合する。そして、その信号光λ［６，３］は光ファイバ９を逆に戻って、図２の超音波受信装置１１の受信光学系に導かれる。
【００２１】
そして、超音波受信装置１１に戻った信号光λ［６，３］は、光サーキュレータ１７を介し、光結合器１９に導かれる。その後、光復調により信号光λ［６，３］の位相変調成分のみが光検出器を有する受光装置２１によって対応超音波の電気信号に変換される。その後、同様な光復調が全画素で行われ、それらの復調信号が合成開口等の波面合成信号処理を施されると、最終的に超音波計測による被計測対象物の画像処理結果を画面上に、表示提供することができる。復調後の電子装置系による波面合成信号処理については、既存技術が主体であるため、その部分の詳細な説明は省略する。
【００２２】
また、本実施の形態において使用可能な、代表的な光復調方法を以下に２つ例示する。なお、本発明は、かかる光復調方法を必ず用いることには限定されるものではない。
（１）光ヘテロダイン方式による光復調
当該方式は、図２の超音波受信装置１１の構成をそのままを用いた方式である。あらかじめ、光分配器１５により、探査光λ［６，３］の一部を取り出し、信号光λ［６，３］（超音波による位相変調成分を含む）と光結合器１９で干渉させ、受光装置２１で二乗検波することで、探査光と信号光の同じキャリア光周波数成分をキャンセルし、残った位相変調成分は、その位相関係に比例した強度信号として超音波周波数と同じ電気信号に変換される。
（２）ファブリペロー干渉計による光復調
当該方式は、図２の構成の一部変更をすることで容易に可能である。その変更内容として、まず、光分配器１５と光結合器１９とを除去し、その除去した箇所は光ファイバで単純に接続する。さらに、受光装置の中にファブリペロー干渉計を配置し、その出力を光検出器で検出できる構成としておく。このような構成において、信号光λ［６，３］は、光サーキュレータを介し、そのまま受光装置のファブリペロー干渉計に導かれる。そのファブリペロー干渉計は、すでに事前の送信超音波特性に合わせ、その光透過特性が調整済みである。従って、信号光λ［６，３］がファブリペロー干渉計によって、信号光λ［６，３］の位相変調分に相当する光周波数成分の振幅変化分だけを光検出器で検出することで、直接超音波波形に対応した電気信号に復調することができる。
【００２３】
実施の形態２．
図３を用いて本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施の形態は、以下に説明する部分を除いては実施の形態１と同様であるものとする。実施の形態１においては１本のファイバでＮ画素の２次元超音波検出が可能であるのに対して、本実施の形態２では、超音波信号画像の解像度を向上すべく、さらに画素数を増やす工夫が施されている。図３に示されるように、超音波受信センサ２０１と光サーキュレータ１７との間には、光スイッチ２３１が設けられている。光スイッチ２３１は、１×Ｍチャンネルを備えており、言うなれば実施の形態１で説明した超音波受信センサ１をＭ個分接続することができる。図３の例示では、１×４（Ｍ＝４）の光スイッチ２３１をもちいて、４つの超音波受信センサ１を集めた超音波受信センサ２０１を同時接続している。その結果、本実施の形態では、実施の形態１における６４画素が４倍になり、Ｍ×Ｎ＝４チャンネル×６４画素＝２５６画素相当が実現できる。
【００２４】
この２５６画素の位置識別の特徴は、これまでの波長パラメータに加え、光スイッチ２３１のチャンネルＭが加わり、２５６画素の座標識別は、λ［Ｍ、Ｘ、Ｙ］となり、λ［１、１、１］〜λ［４、６４、６４］と表記でき、実施の形態１同様に一義的に画素位置を定義することができる。そして光スイッチ２３１のチャンネル選択［Ｍ］と波長可変レーザの波長設定λ［Ｘ、Ｙ］を組み合わせて全画素数をスキャンして計測することができる。例えば、１万画素相当の超音波計測の解像度が必要な場合、本発明を使用しない構成例としてはその画素数相当の電線もしくはファイバと切り替えスイッチとが必要とされるが、本発明を用いると、その１桁又は２桁少ない構成部品で済み、小型軽量な超高解像な２次元超音波受信装置が構築できるという利点がある。
【００２５】
実施の形態３．
図４を用いて本発明の実施の形態３の形態を説明する。なお、本実施の形態の説明は、上記実施の形態１又は２と重複する部分を省略し、実施の形態３に特有の部分を主に説明する。実施の形態３では、上述した実施の形態の超音波受信センサ１又は超音波受信センサ２０１の波長フィルターアレイ５およびマイクロダイヤフラムアレイ３の画素配列を、探査光ビーム形状（光線の横断形状）に近似した外縁と倣うような態様とすることで、限られたビーム径面積に対し多数の画素を配列できることを特徴としている。図４では好適な一例として円形ビームに対し、円形近似に画素を配列した場合を示している。従って、実施の形態１との関係で述べるならば、これまでの正方形配列３６画素の場合に対し、本発明では５２画素まで有効に配列できる事を示している。これより本実施の形態では、ファイバ１本あたりの受信センサの解像度をアップする効果がある。
【００２６】
実施の形態４．
図５を用いて本発明の実施の形態４の形態を説明する。やはり、上記実施の形態３と同様に、本実施の形態４に特有の部分を主に説明する。図５の（ａ）は超音波受信装置の全体構成を示す図であり、図５の（ｂ）は本実施の形態の特徴でもある超音波受信センサの各画素の信号光強度分布を示す図である。通常、探査光ビームの強度は、その画素位置において多少なりバラツキが存在している。そこで、実施の形態４では、探査光ビームの強度分布に起因した画素間の感度のバラツキが計測精度に悪影響を及ぼさないようにすべく、画素間補正機能を有している。すなわち、図５の（ａ）に示されるように、超音波受信装置４１１における光学系の信号光経路中に光増幅器４３３を加え、それにより個々の画素の感度不足分を保障できるようにした。図５の（ｂ）に示されるように、通常、ファイバ端からの探査光は、ガウシアン強度分布を有しており、各画素の信号光もその強度分布を反映した光量で光ファイバを伝送し超音波受信装置の光学系に導かれる。その結果、各画素間で光量の差による感度の不均一性が生じることとなる。そこで、本実施の形態では、元々本発明の大きな特徴である画素位置と波長との対比が可能なことに着眼し、各画素のＳＮ比確保のための光量しきい値の不足分に対して、光増幅器４３３によりその波長利得分を調整し、それぞれの画素の信号光を保障増幅する。これによって、感度の向上、画素間の感度均一性向上を図ることが可能となっている。
【００２７】
なお、その光増幅器は好適な一例としては、探査光、信号光の波長である１．５５μｍ帯において、エルビウム光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、もしくは、ＩｎＧａＡｓ半導体増幅器（ＳＯＡ）等の光デバイスで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波受信センサの構成図である。
【図２】図１の超音波受信センサを用いた超音波受信装置の構成図である。
【図３】実施の形態２に係る超音波受信装置の構成図である。
【図４】実施の形態３に関し、光線の横断形状に倣った画素配列を示す図である。
【図５】（ａ）は実施の形態４に係る超音波受信装置の構成を示す図であり、（ｂ）は超音波受信センサの各画素の信号光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１，２０１…超音波受信センサ、３…マイクロダイヤフラムアレイ、５…波長フィルターアレイ、７…コリメート結合レンズ（光提供回収手段）、９…光ファイバ（光提供回収手段）、１１，４１１…超音波受信装置，２３１…光スイッチ。
【図１】
2005175919.tif 000003
【図２】
2005175919.tif 000004
【図３】
2005175919.tif 000005
【図４】
2005175919.tif 000006
【図５】
2005175919.tif 000007