(57)【要約】液状媒体（１０）内の音圧分布を測定するための、特に超音波衝撃波領域または診断超音波を測定するための光学式ハイドロフォンは、光（ＬＳ）を発生し光学的透明体（４）と液状媒体（１０）との間の境界面（８）にある表面領域（６）に照射するための光源（２）を有する。表面領域（６）で反射された光（ＬＲ）の強さを測定するための光受信器（１４）が設けられている。反射された光（ＬＲ）の強さは音圧の尺度として役立つ。本発明によれば、照射される表面領域（６）は透明体（４）と液状媒体（１０）との間に形成された境界面（８）よりも小さい。これは高寿命および高い空間分解能を有するハイドロフォンの製造を可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音圧依存性を無視できる屈折率を有する光学的透明体（４）と、光（ＬＳ）を発生し光学的透明体（４）と液状媒体（１０）との間の境界面（８）にある表面領域（６）に照射するための光源（２）と、表面領域（６）で反射された光（ＬＲ）の強さを音圧の尺度として測定するための光受信器（１４）とを備え、液状媒体（１０）の屈折率が音圧に依存して変調することを利用して、液状媒体（１０）内の音圧分布を測定するための、特に超音波衝撃波領域または診断超音波を測定するための光学式ハイドロフォンにおいて、照射される表面領域（６）は透明体（４）と液状媒体（１０）との間に形成された境界面（８）よりも小さいことを特徴とする光学式ハイドロフォン。
【請求項２】
光（ＬＳ）が表面領域（６）に全反射の臨界角（θg）の半分よりも小さい入射角（θ）で照射されることを特徴とする請求項１記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項３】
光（ＬＳ，ＬＲ）を案内するために、空間的に互いに分離された光ファイバ（１６ａもしくは１６ｂ）を有する光ファイバ装置が設けられていることを特徴とする請求項２記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項４】
光ファイバ（１６ａ）から出射する光（ＬＳ）を境界面（８）へ結像させ、反射光（ＬＲ）を光ファイバ（１６ｂ）へ入射させるために、互いに空間的に分離された結像レンズ（２０ａ，２０ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項３記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項５】
光（ＬＳ）が表面領域（６）に少なくともほぼ垂直に照射されることを特徴とする請求項２記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項６】
照射される表面領域（６）は少なくともほぼ円板状であることを特徴とする請求項５記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項７】
光源（２）から発生した光（ＬＳ）を透明体（４）に案内しかつ反射光（ＬＲ）を光受信器（１４）に案内するために光ファイバ装置（１６）が設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項８】
光ファイバ装置（１６）は、光源（２）から発生した光（ＬＳ）が透明体（４）へ向けて出射するための出射開口（２２）を有し、出射開口（２２）は同時に反射光（ＬＲ）の入射開口であることを特徴とする請求項７記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項９】
光ファイバ装置（１６）はＹカプラ（１８）を有することを特徴とする請求項８記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項１０】
出射開口（２２）から出射する光（ＬＳ）を表面領域（６）へ集束させるための結像レンズ（２０，２０ａ）を備えていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項１１】
結像レンズ（２０，２０ａ）は出射開口（２２）を境界面（８）へ結像させることを特徴とする請求項１０記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項１２】
透明体（４）の境界面（８）は平らであることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の光学式ハイドロフォン。
【請求項１３】
透明体（４）は、その透明体内で境界面（８）に向かって伝播する光（ＬＳ）の光路に対して相対的に位置変化可能であることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の光学式ハイドロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状媒体内の音圧分布を測定するための、特に超音波衝撃波領域または診断超音波を測定するための光学式ハイドロフォンに関する。
【０００２】
例えば結石破砕に使用される音響衝撃波では、数ｎｓの範囲の立ち上がり時間を有する約１０8Ｐａほどの高い圧力が発生する。このような高い圧力の測定は高い機械的安定性を有するセンサを必要とする。更に、衝撃波領域内の音圧分布をできるだけ高い空間分解能で測定することができるために、これらのセンサは大幅に小型化されなければならない。
【０００３】
欧州特許第０３５４２２９号明細書または独国特許出願公開第３８０２０２４号明細書、および「Ｊ．ＳｔａｕｄｅｎｒａｕｓおよびＷ．Ｅｉｓｅｎｍｅｎｇｅｒ著 “Ｆｉｂｒｅ−ｏｐｔｉｃ  ｐｒｏｂｅ  ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ａｎｄ  ｓｈｏｃｋ−ｗａｖｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｗａｔｅｒ（水中における超音波衝撃波測定のためのファイバ光学式プローブハイドロフォン）”，Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  １９９３年発行，第３１巻，第４号，第２６７頁〜第２７３頁」から、それぞれ、液中における超音波衝撃波の圧力の空間的および時間的分布を測定するために光ファイバの自由端で反射された光を利用する測定装置が公知である。この公知のファイバ光学式測定装置では、高い圧力振幅が自由端直近における液体の密度変化およびそれにともなう屈折率変化を発生させ、その変化が光ファイバ内に境界面で反射されて戻ってくる光の成分を変調する。測定に使用される光ファイバは０．１ｍｍを上回らない直径を有する。液体と光ファイバとの境界面の反射率を決定する光ファイバ自由端は、球形の端面または光ファイバに対して垂直な平らな端面によって形成される。この端面の小ささによって、集束された衝撃波の測定に必要な高い空間分解能、僅かの方向感度および高い帯域幅がもたらされる。
【０００４】
独国特許出願公開第３９３２７１１号明細書から、光ファイバの自由端が３次の多項式によって記述される包絡線を有する回転体として構成されているファイバ光学式衝撃波センサが公知である。この手段によって、比較的大きな直径を有する光ファイバが使用された場合にも、感度も空間分解能も改善される。
【０００５】
「Ｋｏｃｈ，Ｃｈ．著“Ｃｏａｔｅｄ  ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ  ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ  ｆｏｒ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（超音波測定のための被覆されたファイバ光学式ハイドロフォン）”，Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ  第３４巻，１９９６年発行，第６８７頁〜第６８９頁」から、周囲の液体の屈折率変化およびファイバ先端において誘電体膜によって形成されされている干渉計の特性変化を利用し、このようにして測定装置の感度を高めるファイバ光学式ハイドロフォンが公知である。
【０００６】
しかし、公知のファイバ光学式ハイドロフォンにおいては、非常に破壊しやすく、約５０ＭＰａで１０〜１００回の衝撃波の後に破壊する欠点がある。更に、光ファイバの自由端を再現可能にその都度必要な形状に仕上げるのに、高い製造技術的労力を必要とする。
【０００７】
例えば、「Ｂｅａｒｄ，ＰＣおよびＭｉｌｌｓ  ＴＮ著“Ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ（生物医学の光音響イメージングのための光学式検出システム）”，  Ｐｒｏｃ．  ＳｐｉＥ  ３９１６，２０００年，第１００頁〜第１０９頁」や、「Ｂｅａｒｄ，ＰＣ著“Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｂｌｏｏｄ  ｒｅｓｓｅｌ  ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｐｈａｎｔｏｍｓ（血管等価ファントムの光音響イメージング）”，  Ｐｒｏｃ．  ＳｐｉＥ  ４６１８，２００２年，第５４頁〜第６２頁」のような文献において、音圧分布の２次元画像が生じるように光学的に点状に走査される大面積のファブリー・ペロー干渉計として重合体フィルムが用いられるような干渉計式の測定装置が公知である。しかしながら、このような装置は衝撃波の測定には適していない。
【０００８】
本発明の課題は、製造技術的に簡単に作ることができ、高寿命を有し、従来技術において公知のファイバ光学式ハイドロフォンによって得られるような空間分解能と同じである空間分解能を有する、液状媒体内の音圧分布を測定するための光学式ハイドロフォンを提供することにある。
【０００９】
上述の課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を備えた光学式ハイドロフォンにより解決される。このような光学式ハイドロフォンは、光を発生し光学的透明体と音波案内媒体との間の境界面にある表面領域に照射するための光源と、この表面領域で反射された光の強さを音圧の尺度として測定するための測定装置とを備え、照射される表面領域は透明体と媒体との間に形成された境界面よりも小さい。
【００１０】
本発明は、高い空間分解能を得るためには、透明体と音波案内媒体との間の境界面で照射される表面領域の大きさだけが重要であるという考えに基づく。換言するならば、透明体は、必ずしも、壁での反射によって光を案内する光ファイバとして形成されていなくてもよい。寧ろ、相応のビーム形成によって、透明体内を自由に伝播し、相応のビーム形成によって境界面の範囲にその都度の必要目的に適ったビーム横断面を有する光ビームを発生させることで十分である。このようにして、透明体はビーム横断面よりも遥かに大きい寸法を有することができ、従って堅牢に構成することができるので、結石破砕器の焦点に発生し得るような衝撃波によってもはや破壊されることはない。更に、少ない製造技術的労力で高い再現性を達成することができる。
【００１１】
「Ｇ．Ｐａｌｔａｕｆ  およびＨ．Ｓｃｈｍｉｄｔ−Ｋｌｏｉｂｅｒ著，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ-ｉｎｄｕｃｅｄ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｗａｖｅ  ｗｉｔｈ  ａ  ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（較正された光変換器によるレーザ誘導された音波の測定）”，Ｊ．Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．第８２巻第４号，  １９９７年発行，第１５２５頁〜第１５３１頁」から、プローブ内にレーザビームによって発生された音波を、水を満たされた部屋へ入射させ、そこで屈折率の変調を生じるプローブ内の短いレーザパルスの吸収測定装置が公知である。部屋はガラスプリズムの底面に接し、ガラスプリズムには側方から光が入射し、そこで自由に、すなわち反射なしに境界面へ伝播し、底面では臨界角で全反射が発生する。底面で反射された光成分の、屈折率の変調によって惹き起こされた変調が測定され、プローブ内で吸収されたレーザ出力の尺度として利用される。この装置では公知のファイバ光学式ハイドロフォンの場合と同じ物理的作用が利用されるが、このファイバ光学式ハイドロフォンは、レーザビームの伝播に影響するので、このような吸収されたレーザ出力の間接測定に使用することはできない。この理由から光が側方からプリズム体に入射し、プリズム体の底面はレーザビームの伝播方向に対して垂直であり、またプリズム体はレーザビームにとって透明であるので、レーザビームは妨げられないでプリズム体を通り抜けることができる。更に、この測定装置の場合、プローブ内に吸収された全レーザ出力のみが問題であるので、音場分布の測定は重要ではない。
【００１２】
本発明は、この公知の測定装置に使用されている基本構想、すなわち測定感応面としてファイバ端ではなくて堅牢な物体の照射された部分領域を使用することが、基本的には超音波領域の高い空間高分解能の測定にも適しているという認識に基づいている。なぜならば、透明体の大きな寸法にもかかわらず、空間分解能は照射される部分領域の大きさによってのみ定まるからである。
【００１３】
本発明の好ましい構成においては、光が表面領域に全反射の臨界角よりも明らかに小さい入射角で、特に全反射の臨界角の半分よりも小さい入射角で照射される。全反射の臨界角とは大幅に異なる入射角を有する入射によって、感度は全反射の臨界角近傍で入射する光を持つ装置に比べれば確かに減少するが、しかし装置が入射角の僅かな変化に対して敏感に反応しないという利点がある。なぜならば、全反射の臨界角よりも明らかに小さい入射角についての反射率は入射角に依存しないからである。更に、このような入射角の場合および垂直入射（入射角０°）の範囲では、反射率はほぼ液状媒体の屈折率と直線関係を有し、従って音圧とも直線関係を有するので、反射された強さは同様に音圧とほぼ直線関係を有する。
【００１４】
特に、透明体の境界面は平らであり、照射される表面領域は境界面よりも明らかに小さい。換言するならば、境界面は照射される表面領域よりも何倍も大きい。好ましい実施態様では、透明体は、その透明体内を境界面に向かって伝播する光の経路に対して相対的に位置変化可能に配置されているので、照射される表面領域は透明体の位置に応じて境界面の異なる個所に位置決めされ得る。それによって、照射される表面領域を有する境界面が損傷された場合に、この表面領域を他の個所に移動させることができる。直方体状の透明体の場合、これは境界面に対する平行な移動によって行なわれる。透明体は互いに向かい合った平らな平面を有する多角形形状を持っていてもよい。この場合に、透明体の境界面における照射される表面領域の位置変化はこれらの平面に平行な対称軸の周りに透明体を回転させることによって行なうことができる。
【００１５】
光学的透明体は液状媒体の屈折率にできるだけ近い屈折率を有すると好ましい。定常的な反射率、すなわち超音波領域が存在しない状態での反射率は最小であり、信号雑音比は最大である。
【００１６】
本発明の他の有利な構成では、照射される表面領域が少なくともほぼ円板状である。このようにしてハイドロフォンの感度が光伝播方向の周りにおけるハイドロフォンの回転位置に無関係となる。
【００１７】
他の有利な構成は他の従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明を更に説明するために図面の実施例を参照する。
【００１９】
図１、図２はそれぞれ本発明による光学式ハイドロフォンを原理図で示す。
【００２０】
図１によれば、光学式ハイドロフォンは光ＬＳを発生するための光源２、実施例ではレーザダイオードを含み、この光ＬＳは、透明体４に、実施例ではガラス（実施例では８００ｎｍの波長において屈折率ｎk＝１．４５を有する石英ガラス）からなるほぼ立方体のブロックに入射させられる。透明体４の厚みも横寸法も１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲にある。透明体４の内部では、光源２から送出された光ＬＳが、自由に、すなわち透明体４の壁での反射なしに伝播し、そして少なくともほぼ垂直に、すなわちガラスからなる透明体４において１０°より小さい開口角で（図では開口角が拡大されて示されている。）、平らな境界面８の円板状の表面領域６に照射される。表面領域６に入射する光ＬＳの一部はそこで反射される。反射された光ＬＲの強さは、垂直入射の場合には、入射光ＬＳの強さと、透明体４の屈折率ｎKと、透明体４の外側にある液状媒体１０の屈折率ｎMとだけに依存する。液状媒体は本例の場合には屈折率ｎM＝１．３４（波長８００ｎｍにおいて）を有する水である。
【００２１】
境界面８に入射する超音波１２は液状媒体１０の屈折率ｎMの変調（超音波によって生じさせられる透明体４の屈折率ｎKの変調は無視できる。）を生じさせ、それにともなって境界面８で反射された光ＬＲの強さの変調を生じさせる。反射光ＬＲの強さの時間的経過は、光受信器１４、例えばホトダイオードで測定され、照射された表面領域６における音圧の時間的経過の直接的な尺度となる。
【００２２】
実施例において、送出光ＬＳおよび反射光ＬＲは、透明体４の外側では光ファイバ装置１６内を案内され、光路の分離のためにＹカプラ１８が設けられている。
【００２３】
しかしながら、基本的に、光は光源２と透明体４との間もしくは透明体４と光受信器１４との間を自由に伝播することも可能である。両光路の減結合のためにビームスプリッタを使用してもよい。
【００２４】
送出光ＬＳを境界面８に集束させるために、Ｙカプラ１８の出射開口２２を境界面８へ結像させる結像レンズ２０が設けられている。Ｙカプラ１８の出射開口（出射アパーチャ）２２は同時に反射光ＬＲの入射開口（入射アパーチャ）である。出射開口２２は実施例では０．１２５ｍｍであり、結像レンズ２０の調整（矢印２４）によって１ｍｍまで拡大することができる。
【００２５】
結像レンズ２０、Ｙカプラ１８またはビームスプリッタは透明体４の内部に配置することもでき、それによりハイドロフォンのコンパクトで過敏でない構造が可能である。
【００２６】
透明体４は、矢印２６で示されているように結像レンズ２０に対して相対的に光軸に対して横方向（表面領域６または境界面８に対して横方向）に移動可能に配置されている。超音波パルスによってまたはキャビテーション泡によって、照射された表面範囲６の近くの透明体４の表面が損傷された場合、照射された表面範囲６が再び透明体４の損傷されていない個所に位置するようになるまで、透明体４を数ｍｍ移動させることができる。
【００２７】
ビームスプリッタまたはＹカプラの使用の必要性は、光源２から発生した光ＬＳが０°とは異なる角度で境界面８へ入射する場合には省略される。この場合には入射光ＬＳおよび反射光ＬＲは入射角およびビーム直径に依存して相応の経路区間後に結合を外されるので、すなわち出射開口および入射開口は空間的に互いに隔てられて配置されるので、光ファイバ装置は分離された光ファイバから構成することができる。更に、結像レンズ２０も、送出光ＬＳのための結像レンズと反射光ＬＲのための結像レンズとに空間的に分離される。
【００２８】
図２はこのような実施例を示し、これによれば光源から発生された光ＬＳが０°とは異なる入射角θで入射し、しかし入射角θは全反射の臨界角θgよりも明らかに小さい。本発明の意味において全反射の臨界角θgよりも明らかに小さい入射角θにおいては、入射角θへの反射率の依存性が少ない。これは、実際上入射角θが特にθg／２よりも小さい、好ましくはθg／３よりも小さい場合である。本例では、すなわちｎK＝１．４５、ｎM＝１．３４、全反射の臨界角θg＝６７°の場合、これはθ＜３３°もしくはθ＜２２°である。実際の実施形態において約１０°の入射角が特に適していることが分かった。
【００２９】
比較的大きな入射角θに基づいて発生光ＬＳおよび反射光ＬＲの光路は透明体４の外では空間的に互いに分離されるので、光ファイバ１６ａの出射開口から出射する光ＬＳを境界面８へ結像させるため、および光ファイバ１６ａの出射開口とは空間的に分離されている光ファイバ１６ｂの入射開口へ反射光ＬＲを入射させるために、互いに同様に空間的に分離された結像レンズ２０ａ，２０ｂを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による光学式ハイドロフォンの実施形態を示す原理図
【図２】本発明による光学式ハイドロフォンの他の実施形態を示す原理図
【符号の説明】
【００３１】
２        光源
４        透明体
６        表面領域
８        境界面
１０        液状媒体
１２        超音波
１４        光受信器
１６        光ファイバ装置
１６ａ      光ファイバ
１６ｂ      光ファイバ
１８        Ｙカプラ
２０        結像レンズ
２０ａ      結像レンズ
２０ｂ      結像レンズ
２２        出射開口
ＬＳ        送出光
ＬＲ        反射光
θ          入射角
θg         全反射の臨界角
【図１】
2006508368.tif 000003
【図２】
2006508368.tif 000004
【国際調査報告】
2006508368.tif 000005
2006508368.tif 000006
2006508368.tif 000007
2006508368.tif 000008