專利名稱：具有長使用壽命的用于測量沖擊波場的光學(xué)水聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量流體介質(zhì)中聲壓分布的光學(xué)水聽器，尤其是用于測量超聲沖擊波場或診斷超聲的光學(xué)水聽器。
在聲學(xué)沖擊波中，象例如在碎石術(shù)中所利用的聲學(xué)沖擊波中，出現(xiàn)了直到大約為108帕(Pa)的高壓，其上升時間在小于納秒(ns)的范圍。測量這樣高的壓力要求具有高機(jī)械穩(wěn)定性的傳感器。此外，為了能以盡可能高的局部分辨率來測量沖擊波場中的聲壓分布，這些傳感器應(yīng)當(dāng)盡可能最小化。
在歐洲專利說明書EP 0 354 229 B1或德國專利申請公開說明書DE 3802 024 A1以及由J.Staudenraus和W.Eisenmenger發(fā)表的標(biāo)題為“Fibre-opticprobe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water”的文章中(發(fā)表在Ultrasonics 1993，Vol.31，No.4，267-273頁上)分別公開了一種測量裝置，其中為測量在液體中的超聲沖擊波壓力的空間和時間分布，利用光波導(dǎo)體自由端上的反射光。在這種公知的纖維光學(xué)測量裝置中利用高壓力幅度使自由端緊鄰處的液體產(chǎn)生密度變化和折射率變化，這些變化對光波導(dǎo)體中界面處反射回的光的份額進(jìn)行調(diào)制。在此，用作測量的光波導(dǎo)體的直徑不超過0.1mm。那個決定液體/光波導(dǎo)體界面反射能力的光波導(dǎo)體自由端由一個與光波導(dǎo)體相垂直的球形或平面端頭構(gòu)成。由于該端面極小，可得到為測量聚焦沖擊波所要求的高局部分辨率、低方向敏感性和高帶寬。
由德國專利申請公開說明書DE 39 32 711 A1公開了一種沖擊波光纖傳感器，其中光波導(dǎo)體的自由端設(shè)計成旋轉(zhuǎn)體，其包絡(luò)線由一個三次多項式來描述。通過此措施，即使在利用較大直徑的光波導(dǎo)體時，不僅改善了其敏感性，還改善了其局部分辨率。
在Koch，Ch.發(fā)表的標(biāo)題為“Coated fiber-optic hydrophone for ultrasonicmeasurement”的文章(發(fā)表在Ultrasonics 34，1996，687-689頁上)公開了一種纖維光學(xué)水聽器，其既被用于改變周圍流體的折射率，又被用于改變一個在纖維尖端處由介電層形成的干涉儀的性能，以便這樣來提高測量裝置的敏感性。
然而，公知的纖維光學(xué)水聽器的缺點在于這些水聽器十分容易破碎，且在10至100個約50兆帕(MPa)的沖擊波后可能被破壞。此外，為了使光波導(dǎo)體的自由端可重復(fù)地制成各自所要求的形狀，要求高的生產(chǎn)技術(shù)成本。
在文獻(xiàn)中，例如在Beard，PC，Mills TN發(fā)表的標(biāo)題為“An opticaldetection system for biomedical photoacoustic imaging”的文章(發(fā)表在Proc.SpiE 3916，2000，第100-109頁)或者Beard，PC發(fā)表的標(biāo)題為“Photoacousticimaging of blood ressel equivalent phantoms”(發(fā)表在Proc.SpiE 4618，2002，第54-62頁)中也公開了一種干涉測量裝置，其中將一種聚合薄膜用作進(jìn)行光學(xué)逐點掃描的大面積法布里-珀羅干涉儀，從而得到一幅聲壓分布的二維圖像。然而這樣一種裝置不適合用來測量沖擊波。
本發(fā)明現(xiàn)在要解決的技術(shù)問題是提供一種用于測量流體介質(zhì)中聲壓分布的光學(xué)水聽器，其生產(chǎn)技術(shù)簡單，具有長的壽命，且其空間分辨率可與現(xiàn)有公知的纖維光學(xué)水聽器相當(dāng)。
按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題采用一種具有權(quán)利要求1所述特征的水聽器來解決。這樣的水聽器包括一個用于產(chǎn)生光和用于照射一個位于一光學(xué)透明體和所述流體介質(zhì)之間界面上的表面區(qū)域的光源和一個用于測量所述表面區(qū)域上反射光強(qiáng)度作為聲壓度量的測量裝置，其中被照射的表面區(qū)域小于在透明體和流體介質(zhì)之間形成的界面。
本發(fā)明基于這樣的想法為達(dá)到高空間分辨率只需看該透明體和傳聲介質(zhì)之間界面上被照射表面區(qū)域的大小。換言之，該透明體不必強(qiáng)制設(shè)計成通過壁面反射來在其中導(dǎo)送光的光導(dǎo)體，而是通過相應(yīng)的射線形成，產(chǎn)生一種在該透明體中自由傳播、且通過相應(yīng)地在界面區(qū)域上的射線形成具有一個與各需求目的相適應(yīng)的射線橫截面的光束就足夠了。這樣該透明體具有比射線橫截面大得多的尺寸，且可以相應(yīng)地設(shè)計成整塊，從而它不再會被如在碎石術(shù)聚焦時可能出現(xiàn)的沖擊波破壞。此外，該界面可以毫不困難地加工，從而可達(dá)到高的生產(chǎn)效率，而只需較少制造技術(shù)成本。
G.Paltauf和H.Schmidt-Kloiber的標(biāo)題為“Measurement of laserinducedacoustic waves with a calibrated optical transducer”(發(fā)表在J.Appl.Phys.82(4)，1997，1525-1531頁上)的文章中公開了一種用于測量一短激光脈沖在一試樣中吸收量的測量裝置，其中在該試樣中由激光束產(chǎn)生的聲波進(jìn)入一充滿水的腔室且在那里導(dǎo)致對折射率的調(diào)制。該腔室以玻璃棱鏡的基面為界，側(cè)光進(jìn)入該玻璃棱鏡，并在那里自由(即在界面上無反射)傳播，并在基面上以全反射臨界角出現(xiàn)。對那些由調(diào)制折射率所引起的對該基面上反射光份額的調(diào)制進(jìn)行測量，并作為在該試樣中吸收的激光功率的量度來考慮。盡管在這種結(jié)構(gòu)中利用了與公知的纖維光學(xué)水聽器相同的物理效應(yīng)，但這種結(jié)構(gòu)不能用于這樣一種對吸收激光功率所進(jìn)行的間接測量，因為其受到激光束的傳播影響。鑒于此原因，光從側(cè)向進(jìn)入了其基面垂直于激光束傳播方向、且對激光束是透明的棱鏡錐體，從而使激光束可以無妨礙地穿過棱鏡錐體。此外，在該測量裝置中并不是聲場分布測量處于重要地位，因為僅僅考慮了全部在該試樣中吸收的激光功率。
本發(fā)明現(xiàn)在所基于的認(rèn)識是在此公知的測量裝置中所采用的基本構(gòu)思——即不是利用一個纖維的端部、而是利用一個實心體的被照射分區(qū)來作為對測量敏感的表面——原則上在超聲場的空間高分辨率測量情況是適用的，因為盡管該透明體具有較大的尺寸而空間分辯率僅由被照射分區(qū)的大小來確定。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，所產(chǎn)生的光以一個比全反射臨界角小得多的入射角照射該表面區(qū)域，尤其小于全反射臨界角的一半。通過以一個明顯偏離全反射臨界角的入射角入射，雖然其敏感度相對于以接近全反射臨界角入射的光來說下降了，但是其優(yōu)點在于測量裝置對入射角的小變化不敏感，因為明顯小于全反射臨界角的入射角的反射率幾乎與入射角無關(guān)。此外，在這樣一種入射角、尤其在垂直入射區(qū)(入射角為0°)，反射率幾乎與流體介質(zhì)的折射率、從而與聲壓成線性變化，從而反射強(qiáng)度同樣與聲壓幾乎成線性。
尤其是該透明體的界面是平的，且被照射的表面區(qū)域明顯小于界面。換言之該界面比被照射表面區(qū)域大許多倍。于是，在一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，該透明體布置成可相對于在其中傳播到所述界面的光的光路改變位置，從而被照射的表面區(qū)域根據(jù)該透明體的位置可定位在該界面的不同位置。這樣一來，在該界面被照射表面區(qū)域可能受到損壞的情況下，可以將該表面區(qū)域移動到另一位置。在透明體為長方六面體形時，這可以通過平行于界面的移動來實現(xiàn)。該透明體還可以具有一種帶有彼此對置平側(cè)邊的多邊形結(jié)構(gòu)。在這種情況下，界面上被照射表面區(qū)域的位置變化可以通過將該透明體圍繞一平行于此平側(cè)邊的對稱軸來實現(xiàn)。
光學(xué)透明體優(yōu)選具有一個盡可能接近流體介質(zhì)折射率的折射率。于是，靜態(tài)反射能力、即沒有超聲場時的反射能力最小，且信噪比最大。
在本發(fā)明另一優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，被照射的表面區(qū)域至少接近圓盤形。這樣一來，保證該水聽器的敏感性與其圍繞該光傳播方向的轉(zhuǎn)動位置無關(guān)。
進(jìn)一步的優(yōu)選結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在另一些從屬權(quán)利要求中。
下面結(jié)合附圖所示實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明

圖1、2分別以原理圖方式示出了本發(fā)明的一種光學(xué)水聽器。
按照圖1，該光學(xué)水聽器包括一個用于產(chǎn)生光LS的光源2，在本實施例中它例如是一種激光二極管，將光送入一個透明體4中，后者在本實施例中例如是一個由玻璃(例如折射率為nK＝1.45、波長為800納米的石英玻璃)構(gòu)成的、近似的立方塊。不僅該透明體4的厚度、而且其側(cè)向尺寸在1毫米至50毫米的范圍。發(fā)送的光LS在該透明體4內(nèi)自由傳播，即不會在該透明體4的壁上反射，且至少接近于垂直地、即在由玻璃制成的透明體4內(nèi)以帶有小于10°的開口角(在圖中該開口角以放大的方式示出)的方式照射在一個平面界面8的圓盤形表面區(qū)域6。投射到該表面區(qū)域6上的光LS的一部分在那里被反射。反射光LR的強(qiáng)度在垂直入射時僅取決于投射光的強(qiáng)度及透明體4的折射率nK和位于透明體4外的流體介質(zhì)10的折射率nM，在現(xiàn)有情況該流體介質(zhì)是折射率為nM＝1.34(在800納米時)的水。
入射到界面8上的超聲波12對流體介質(zhì)10的折射率nM產(chǎn)生調(diào)制(由超聲波對透明體4的折射率nK產(chǎn)生的調(diào)制可以忽略)，從而對界面8上反射光LR的強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)制。反射光LR的強(qiáng)度隨時間的變化在一個光接收器14、例如一光電二極管中進(jìn)行測量，并作為被照射表面區(qū)域6上的聲壓隨時間變化的直接度量。
在圖示實施方式中，在透明體4外部的發(fā)送光LS和反射光LR沿一光導(dǎo)裝置16導(dǎo)送，其中為將光路分開設(shè)有一個Y形耦合器18。
然而。在原則上還可以讓光在光源2和透明體4之間以及在透明體4和光接收器14之間自由傳播。為了使該兩光路去耦合，則還可以采用射線分配器。
為了將發(fā)送的光LS聚焦在界面8上，設(shè)置一個成像光學(xué)裝置或鏡組20，其將Y形耦合器18的輸出孔22(其也是反射光LR的進(jìn)入孔)投影到界面8上。該輸出孔22在本實施例中例如為0.125毫米，且可以通過調(diào)節(jié)成像光學(xué)裝置或鏡組20(箭頭24)放大到1毫米。
成像光學(xué)裝置20、Y形耦合器18或射線分配器還可以布置在透明體4的內(nèi)部，從而使一種緊湊且不敏感的水聽器結(jié)構(gòu)成為可能。
透明體4可以布置得如箭頭26所示那樣相對于成像光學(xué)裝置20作垂直于其光軸(垂直于光路及垂直于表面區(qū)域6或界面8的法線)的移動。如果由于超聲脈沖或由于氣蝕作用使該透明體4在被照射表面區(qū)域6附近的表面出現(xiàn)了損壞，就可以將該透明體4移動幾毫米，直到被照射的表面區(qū)域6又重新位于該透明體4的未被損壞的位置上。
如果光源2產(chǎn)生的光LS以不為0°的角投射到界面8上，則不必采用射線分配器或Y形耦合器。在這種情況下，入射光LS和反射光LR根據(jù)入射角和射束直徑在相應(yīng)的路程后去耦合，即輸出孔和進(jìn)入孔可以在空間上彼此分開地布置，從而該光導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以由分開的光導(dǎo)體構(gòu)成。此外，則還可以將該成像光學(xué)裝置20在空間上分成一個發(fā)送光LS的成像光學(xué)裝置和一個反射光LR的成像光學(xué)裝置。
這樣一種實施方式在圖2中示出，按照圖2由光源產(chǎn)生的光LS以一個偏離0°、但又小于全反射臨界角θg的入射角θ照射。在本發(fā)明的意義下，明顯小于全反射臨界角θg是這樣一個入射角θ，在此入射角時反射能力僅與入射角θ有弱的依賴關(guān)系。這在實踐中尤其是指入射角θ小于θg/2的情況，優(yōu)選小于θg/3。在前面所述情況，即在nK＝1.45和nM＝1.34和全反射臨界角θg為67°時，入射角θ＜33°或θ＜22°。在實際的實施方式中已證明入射角為大約10°是特別合適的。
基于在較大的入射角θ時所產(chǎn)生的光LS和反射光LR的光路在透明體4的內(nèi)部是彼此分開的，因而為了使從光導(dǎo)體16a輸出孔送出的光LS成像在界面8上和使反射光LR進(jìn)入到在空間上與輸出孔分開的光導(dǎo)體16b進(jìn)入孔，可以采用彼此同樣在空間上分開的成像光學(xué)裝置20a和20b。
權(quán)利要求
1.一種用于測量流體介質(zhì)(10)中聲壓分布、尤其是用于測量超聲沖擊波場或診斷超聲的光學(xué)水聽器，其對所述流體介質(zhì)(10)的折射率采用了與聲壓有關(guān)的調(diào)制，它包括一個用于產(chǎn)生光(LS)和用于照射一個位于一光學(xué)透明體(4)和所述流體介質(zhì)(10)之間界面(8)上的表面區(qū)域(6)的光源(2)，其中，該光學(xué)透明體(4)具有一個與聲壓的關(guān)系可忽略的折射率，以及一個用于測量所述表面區(qū)域(6)上反射光(LR)強(qiáng)度作為聲壓度量的光接收器(14)，其特征在于所述被照射的表面區(qū)域(6)小于在所述光學(xué)透明體(4)和所述流體介質(zhì)(10)之間形成的界面(8)。
2.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述產(chǎn)生的光(LS)以一個小于全反射臨界角(θg)一半的入射角(θ)照射所述表面區(qū)域(6)。
3.按照權(quán)利要求2所述的光學(xué)水聽器，其特征在于為導(dǎo)送所述光(LS，LR)設(shè)置了一個具有在空間上彼此分開的光導(dǎo)體(16a和16b)的光導(dǎo)裝置。
4.按照權(quán)利要求3所述的光學(xué)水聽器，其特征在于為了將從所述光導(dǎo)體(16a)輸出的光(LS)成像在所述界面(8)上和為了使反射光(LR)進(jìn)入另一光導(dǎo)體(16b)設(shè)置了在空間上彼此分開的成像光學(xué)裝置(20a，20b)。
5.按照權(quán)利要求2所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述產(chǎn)生的光(LS)至少接近垂直地照射所述表面區(qū)域(6)。
6.按照權(quán)利要求5所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述被照射的表面區(qū)域(6)至少接近圓盤形。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的光學(xué)水聽器，其特征在于為了將所述光源(2)產(chǎn)生的光(LS)導(dǎo)送到所述光學(xué)透明體(4)和將反射光(LR)導(dǎo)送到所述光接收器(14)，設(shè)置了一個光導(dǎo)裝置(16)。
8.按照權(quán)利要求7所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述光導(dǎo)裝置(16)具有一個輸出孔(22)，由所述光源(2)產(chǎn)生的光(LS)從該輸出孔射出到所述光學(xué)透明體(4)，且該輸出孔同時是所述反射光(LR)的進(jìn)入孔。
9.按照權(quán)利要求8所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述光導(dǎo)裝置具有一個Y形耦合器(18)。
10.按照權(quán)利要求1至9中任一項所述的光學(xué)水聽器，其特征在于該光學(xué)水聽器還包括一個用于將由所述輸出孔(22)輸出的光(LS)聚焦到所述表面區(qū)域(6)的成像光學(xué)裝置(20，20a)。
11.按照權(quán)利要求10所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述成像光學(xué)裝置(20，20a)將所述輸出孔(22)投影到所述界面(8)上。
12.按照權(quán)利要求1至11中任一項所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述光學(xué)透明體(4)的界面(8)是平的。
13.按照權(quán)利要求1至12中任一項所述的光學(xué)水聽器，其特征在于所述光學(xué)透明體(4)可相對于在其內(nèi)部向所述界面(8)傳播的光(LS)的光路改變位置地設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量流體介質(zhì)中聲壓分布的光學(xué)水聽器，尤其是用于測量超聲沖擊波場或診斷超聲的光學(xué)水聽器，其包括一個用于產(chǎn)生光(LS)和用于照射一個位于一光學(xué)透明體(4)和所述流體介質(zhì)(10)之間界面(8)上的表面區(qū)域(6)的光源(2)。為測量該表面區(qū)域(6)上反射光(LR)的強(qiáng)度設(shè)置一光接收器(14)。該強(qiáng)度用作聲壓的度量。按照本發(fā)明，被照射的表面區(qū)域(6)小于在透明體(4)和流體介質(zhì)(10)之間形成的界面(8)。這允許制造一種具有長壽命和高空間分辨率的水聽器。
文檔編號G01H9/00GK1714282SQ200380103818
公開日2005年12月28日 申請日期2003年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者伯恩德·格蘭茲, 拉爾夫·南基 申請人:西門子公司