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Die Erfindung bezieht sich auf ein
optisches Hydrophon zum Messen der Schalldruckverteilung in einem
fluiden Medium, insbesondere zum Vermessen eines Ultraschall-Stoßwellenfeldes.
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Bei akustischen Stoßwellen,
wie sie beispielsweise in der Lithotripsie verwendet werden, treten
hohe Drücke
bis etwa 108 Pa mit Anstiegszeiten im Bereich
von wenigen ns auf. Die Messung solcher hohen Drücke erfordert Sensoren mit
einer hohen mechanischen Stabilität. Außerdem sollten diese Sensoren
weitgehend miniaturisiert sein, um die Schalldruckverteilung in
einem Stoßwellenfeld
mit möglichst
hoher örtlicher
Auflösung
vermessen zu können.
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Aus der
EP 0 354 229 B1 oder der
DE 38 02 024 A1 sowie
aus J. Staudenraus, W. Eisenmenger, „Fibre-optic probe hydrophone
for ultrasonic and shock-wave measurements in water", Ultrasonics 1993,
Vol. 31, No. 4, Seite 267-273, sind jeweils Messanordnungen bekannt,
bei der zur Messung der räumlichen
und zeitlichen Verteilung des Druckes von Ultraschall-Stoßwellen
in einer Flüssigkeit
das am freien Ende eines Lichtwellenleiters reflektierte Licht verwendet
wird. Bei dieser bekannten faseroptischen Messanordnung wird ausgenutzt,
dass die hohe Druckamplitude eine Dichteänderung und somit eine Änderung
des Brechungsindex der Flüssigkeit
in unmittelbarer Nähe
des freien Endes erzeugt, die den Anteil des in den Lichtwellenleiter
an der Grenzfläche zurückreflektierten
Lichtes moduliert. Die zur Messung verwendeten Lichtwellenleiter
haben dabei einen Durchmesser, der 0,1 mm nicht überschreitet. Das freie, die
Reflektivität
der Grenzfläche
Flüssigkeit/Lichtwellenleiter
bestimmende Ende des Lichtwellenleiters wird durch eine kugelförmige oder
ebene, senkrecht zur Lichtwel lenleiterachse stehende Endfläche gebildet.
Durch die Kleinheit dieser Endfläche
wird eine für
die Messung von fokussierten Stoßwellen erforderliche hohe
Ortsauflösung,
geringe Richtungsempfindlichkeit und hohe Bandbreite erzeugt.
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Aus der
DE 39 32 711 A1 ist ein
faseroptischer Stoßwellensensor
bekannt, bei dem das freie Ende des Lichtwellenleiters als Rotationskörper gestaltet
ist, dessen Hüllkurve
sich durch ein Polynom dritten Grades beschreiben lässt. Durch
diese Maßnahme
sollen auch bei der Verwendung von Lichtwellenleitern mit größerem Durchmesser
sowohl die Empfindlichkeit als auch die Ortsauflösung verbessert werden.
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Aus Koch, Ch., „Coated fiber-optic hydrophone
for ultrasonic measurement",
Ultrasonics 34, 1996, Seite 687-689, ist ein faseroptisches Hydrophon
bekannt, das sowohl die Änderungen
des Brechungsindex des umgebenden Fluids als auch die Änderung
der Eigenschaften eines an der Faserspitze durch dielektrische Schichten
gebildeten Interferometers nutzt, um auf diese Weise die Empfindlichkeit der
Messanordnung zu erhöhen.
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Nachteilig an den bekannten faseroptischen Hydrophonen
ist jedoch, dass diese sehr bruchempfindlich sind und bereits nach
10 bis 100 Stoßwellen bei
etwa 50 MPa zerstört
sein können.
Darüber
hinaus ist ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich,
um die freien Enden der Lichtwellenleiter reproduzierbar mit der
jeweils erforderlichen Form herzustellen.
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In der Literatur, beispielsweise
in Beard, PC, Mills TN, „An
optical detection system for biomedical photoacoustic imaging", Proc. SpiE 3916,
2000, Seite 100-109, oder Beard, PC, „Photoacoustic imaging of
blood ressel equivalent phantoms",
Proc. SpiE 4618, 2002, Seite 54-62, sind auch interferometrische
Messanordnungen bekannt, bei denen ein Polymerfilm als großflächiger Fabry-Perot-Interferometer
dient, das optisch punktweise abgetastet wird, so dass sich ein
2-dimensionales Bild der Schalldruckverteilung ergibt. Eine solche
Vorrichtung ist jedoch für
das Vermessen von Stoßwellen
nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, ein optisches Hydrophon zum Messen der Schalldruckverteilung
in einem fluiden Medium anzugeben, das fertigungstechnisch einfach
herzustellen ist, eine hohe Lebensdauer aufweist und dessen räumliches Auflösungsvermögen vergleichbar
ist mit dem räumlichen
Auflösungsvermögen, wie
es durch die im Stand der Technik bekannten faseroptischen Hydrophone
erzielt werden kann.
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Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem optischen Hydrophon mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Ein solches optisches Hydrophon umfasst eine Lichtquelle zum
Erzeugen von Licht und zum Beleuchten eines an einer Grenzfläche zwischen
einem optisch transparenten Körper
und dem schallführenden
Medium befindlichen Flächenbereiches
sowie eine Messeinrichtung zum Messen der Intensität eines
an diesem Flächenbereich
reflektierten Lichtes als Maß für den Schalldruck,
wobei der beleuchtete Flächenbereich
kleiner ist als die zwischen dem Körper und dem Medium gebildete
Grenzfläche.
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Die Erfindung beruht dabei auf der
Idee, dass es zum Erzielen einer hohen örtlichen Auflösung nur
auf die Größe des an
der Grenzfläche
zwischen dem transparenten Körper
und dem schallführenden
Medium beleuchteten Flächenbereich
ankommt. Mit anderen Worten: Der transparente Körper muss nicht zwingend als
Lichtleiter gestaltet sein, in dem das Licht durch Reflexion an
den Wänden
geführt
ist. Vielmehr ist es ausreichend, durch entsprechende Strahlformung
einen Lichtstrahl zu erzeugen, der sich im transparenten Körper frei
ausbreitet und durch entsprechende Strahlformung im Bereich der Grenzfläche einen
an den jeweiligen Bedarfszweck angepassten Strahlquerschnitt aufweist.
Auf diese Weise kann der transparente Körper Abmessungen aufweisen,
die sehr viel größer als
der Strahlquer schnitt sind, und kann dementsprechend massiv ausgeführt werden,
so dass er durch Stosswellen, wie sie im Fokus eines Lithrotripters
auftreten können, nicht
mehr zerstört
werden kann. Außerdem
kann die Grenzfläche
problemlos bearbeitet werden, so dass eine hohe Reproduzierbarkeit
mit geringem fertigungstechnischen Aufwand erreichbar ist.
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Aus G. Paltauf u. H. Schmidt-Kloiber, „Measurement
of laserinduced acoustic waves with a calibrated optical transducer", J. Appl. Phys.
82 (4), 1997, S. 1525 – 1531,
ist eine Messanordnung zum Messen der Absorption eines kurzen Laserimpulses in
einer Probe bekannt, bei der die in der Probe durch den Laserstrahl
erzeugten Schallwellen in eine mit Wasser gefüllte Kammer eingekoppelt werden
und dort zu einer Modulation des Brechungsindex führen. Die
Kammer grenzt an die Basisfläche
eines Glasprismas, in das seitlich Licht eingekoppelt wird und sich
dort frei, d. h. ohne Reflexion an Grenzflächen ausbreitet, und auf die
Basisfläche
unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auftrifft. Die durch die Modulation
des Brechungsindex verursachte Modulation des Anteils des an der
Basisfläche
reflektierten Lichtes wird gemessen und als Maß für die in der Probe absorbierte
Laserleistung herangezogen. Obwohl bei dieser Anordnung die gleichen
physikalischen Effekte ausgenutzt werden wie bei den bekannten faseroptischen
Hydrophonen, können
diese zu einer solchen indirekten Messung der absorbierten Laserleistung
nicht eingesetzt werden, da sie die Ausbreitung des Laserstrahls
beeinflussen würden. Aus
diesem Grund wird das Licht seitlich in einen Prismenstumpf eingekoppelt,
dessen Basisfläche senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls steht und der für diesen
Laserstrahl transparent ist, so dass dieser ungehindert durch den
Prismenstumpf hindurch treten kann. Bei der Messanordnung steht
außerdem
nicht die Messung der Verteilung des Schallfeldes im Vordergrund,
da es nur auf die gesamte innerhalb der Probe absorbierte Laserleistung ankommt.
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Die Erfindung beruht nun auf der
Erkenntnis, dass das in dieser bekannten Messanordnung verwendete
Grundkonzept, nämlich
als messempfindliche Fläche
nicht das Ende einer Faser sondern den beleuchteten Teilbereich
eines massiven Körpers
zu verwenden, grundsätzlich
auch bei der räumlich hochauflösenden Vermessung
eines Ultraschallfeldes geeignet ist, da das räumliche Auflösungsvermögen trotz
großer
Abmessungen des transparenten Körpers
allein durch die Größe des beleuchteten
Teilbereiches bestimmt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung trifft das Licht unter einem Einfallswinkel auf den
Flächenbereich
auf, der deutlich kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion
und insbesondere kleiner als der halbe Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
Durch die Inzidenz mit einem vom Grenzwinkel der Totalreflexion
signifikant abweichenden Einfallswinkel nimmt zwar die Empfindlichkeit
gegenüber
einer Anordnung mit nahe am Grenzwinkel der Totalreflexion einfallenden
Licht ab, von Vorteil ist aber, dass die Messanordnung unempfindlicher
gegen geringfügige Änderungen
des Auftreffwinkels ist, da die Reflektivität für Einfallswinkel, die deutlich
kleiner sind als der Grenzwinkel der Totalreflexion, nahezu unabhängig vom
Auftreffwinkel ist. Darüber
hinaus ändert sich
bei einem solchen Einfallswinkel und insbesondere im Bereich senkrechter
Inzidenz (Einfallswinkel 0°)
die Reflektivität
nahezu linear mit der Brechzahl des fluiden Mediums und somit auch
mit dem Schalldruck, so dass die reflektierte Intensität ebenfalls
annähernd
linear zum Schalldruck ist.
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Insbesondere ist die Grenzfläche des
Körpers
eben und der beleuchtete Flächenbereich
ist deutlich kleiner als die Grenzfläche. Mit anderen Worten: Die
Grenzfläche
ist um ein Vielfaches größer als
der beleuchtete Flächenbereich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dann der Körper ortsveränderbar
relativ zum Weg des sich in ihm zur Grenzfläche ausbreitenden Lichtes angeordnet
sein, so dass der beleuchtete Flächenbereich
je nach Lage des Körpers
an unterschiedlichen Stellen der Grenzfläche positioniert werden kann.
Dadurch kann im Falle einer eventuellen Beschädigung der Grenzfläche im beleuchteten
Flächenbereich
dieser an eine andere Stelle verlagert werden. Bei einem quaderförmigen Körper geschieht
dies durch Verschieben parallel zur Grenzfläche. Der Körper kann auch die Gestalt
eines Polygons mit einander gegenüberliegenden ebenen Flachseiten
aufweisen. In diesem Fall kann eine Variation der Lage des beleuchteten
Flächenbereiches
an einer Grenzfläche
des Körpers durch
Drehung des Körpers
um eine Symmetrieachse parallel zu diesen Flachseiten erfolgen.
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Der optisch transparente Körper hat
vorzugsweise eine Brechzahl, die möglichst nahe an der Brechzahl
des fluiden Mediums liegt. Dann ist die statische Reflektivität, d. h.
die Reflektivität
in Abwesenheit eines Ultraschallfeldes minimal und das Signal-Rauschverhältnis maximal.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist der beleuchtete Flächenbereich
wenigstens annähernd
kreisscheibenförmig.
Auf diese Weise ist gewährleistet,
das die Empfindlichkeit des Hydrophons unabhängig von seiner Drehposition
um die Ausbreitungsrichtung des Lichtes ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den weiteren Unteransprüchen
wiedergegeben.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf
das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1, 2 ein optisches Hydrophon
gemäß der Erfindung
jeweils in einem Prinzipbild.
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Gemäß 1 umfasst das optische Hydrophon eine
Lichtquelle 2 zum Erzeugen von Licht LS, im Ausführungsbeispiel
eine Laserdiode, das in einen transparenten Körper 4, im Ausführungsbeispiel ein
aus Glas (im Ausführungsbeispiel
Quarzglas mit einem Brechungsindex nK =
1,45 bei einer Wellenlänge
von 800 nm) bestehender annähernd
kubischer Block, eingekoppelt wird. Sowohl die Dicke als auch die
seitlichen Abmessungen des Körpers 4 liegen
im Bereich von 1 mm bis 50 mm. Innerhalb des Körpers 4 breitet sich
das gesendete Licht LS frei, d. h. ohne Reflexion an Wänden des
Körpers 4 aus
und beleuchtet wenigstens annähernd
senkrecht, d. h. bei einem Körper 4 aus
Glas mit einem Öffnungswinkel kleiner
als 10° (in
der Figur ist der Öffnungswinkel vergrößert dargestellt)
einen kreisscheibenförmigen Flächenbereich 6 einer
ebenen Grenzfläche 8.
Ein Teil des auf den Flächenbereich 6 auftreffenden
Lichtes LS wird dort reflektiert. Die Intensität des reflektierten Lichtes
LR hängt
bei senkrechter Inzidenz nur ab von der Intensität des auftreffenden Lichtes
LS und den Brechungsindizes nK des Körpers 4 und
nM des außerhalb des Körpers 4 befindlichen
fluiden Mediums 10, im vorliegenden Fall Wasser mit Brechungsindex
nM = 1,34 (bei 800 nm).
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Eine auf die Grenzfläche 8 einfallende
Ultraschallwelle 12 erzeugt eine Modulation des Brechungsindex
nM des fluiden Mediums 10 (die
durch die Ultraschallwelle erzeugte Modulation des Brechungsindex
nK des Körpers 4 ist
vernachlässigbar) und
somit eine Modulation der Intensität des an der Grenzfläche 8 reflektierten
Lichtes LR. Der zeitliche Verlauf der Intensität des reflektierten Lichtes
LR wird in einem Lichtempfänger 14,
beispielsweise eine Fotodiode, gemessen und ist ein direktes Maß für den zeitlichen
Verlauf des Schalldrucks im beleuchteten Flächenbereich 6.
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Im Ausführungsbeispiel werden das gesendete
Licht LS und das reflektierte Licht LR außerhalb des Körpers 4 in
einer Lichtleiteranordnung 16 geführt, wobei zur Auftrennung
der Lichtwege ein Y-Koppler 18 vorgesehen ist.
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Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass
sich das Licht 2 zwischen der Lichtquelle 2 und dem
Körper 4 bzw.
dem Körper 4 und
Lichtempfänger 14 frei
ausbreitet. Zum Entkoppeln der beiden Lichtwege können dann
Strahlteiler eingesetzt werden.
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Zum Fokussieren des gesendeten Lichtes LS
auf die Grenzfläche 8 ist
eine Abbildungsoptik 20 vorgesehen, die die Austrittsapertur 22 des
Y-Kopplers 18, die zugleich Eintrittsapertur für das reflektierte
Licht LR ist, auf die Grenzfläche 8 abbildet.
Die Austrittsapertur 22 beträgt im Ausführungsbeispiel 0,125 mm und
kann durch Verstellen der Abbildungsoptik 20 (Pfeil 24)
auf 1 mm vergrößert werden.
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Die Abbildungsoptik 20,
der Y-Koppler 18 oder der Strahlteiler können auch
im Inneren des Körpers 4 angeordnet
sein, so dass ein kompakter und unempfindlicher Aufbau des Hydrophons
möglich
ist.
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Der Körper 4 kann relativ
zur Abbildungsoptik 20 quer zu deren optischer Achse (quer
zum Lichtweg bzw. quer zur Normalen des Flächenbereiches 6 oder
der Grenzfläche 8)
verschiebbar angeordnet sein, wie dies durch den Pfeil 26 veranschaulicht
ist. Tritt durch den Ultraschallimpuls oder durch Kavitationsblasen
eine Beschädigung
der Oberfläche
des Körpers 4 in
der Nähe
des beleuchteten Flächenbereiches 6 auf,
so kann der Körper 4 um
einige mm verschoben werden, bis der beleuchtete Flächenbereich 6 wieder
an einer unbeschädigten
Stelle des Körpers 4 zu
liegen kommt.
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Die Notwendigkeit der Verwendung
eines Strahlteilers oder eines Y-Kopplers entfällt, wenn das von der Lichtquelle 2 erzeugte
Licht LS unter einem von 0° abweichenden
Winkel auf die Grenzfläche 8 auftrifft.
In diesem Fall sind einfallendes Licht LS und reflektiertes Licht
LR abhängig
vom Einfallswinkel und vom Strahldurchmesser nach entsprechender Wegstrecke
entkoppelt, d.h. Austrittsapertur und Eintrittsapertur können räumlich getrennt
voneinander angeordnet werden, so dass die Lichtleiteranordnung aus
getrennte Lichtleitern aufgebaut werden kann. Außerdem kann dann auch die Abbildungsoptik 20 in eine
Abbildungsoptik für
das gesendete Licht LS und eine Abbildungsoptik für das reflektierte
Licht LR räumlich
aufgeteilt werden.
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Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt 2, gemäß dem das von der Lichtquelle
erzeugte Licht LS unter einem von 0°abweichenden Einfallswinkel θ auftrifft,
der jedoch deutlich kleiner als der Grenzwinkel θg der
Totalreflexion ist. Deutlich kleiner als der Grenzwinkel θg der Totalreflexion im Sinne der Erfindung
ist ein Einfallswinkel θ,
bei dem die Abhängigkeit
der Reflektivität
vom Einfallswinkel θ nur schwach
ist. Dies ist in der Praxis für
Einfallswinkel θ der
Fall, die insbesondere kleiner als θg/2,
vorzugsweise kleiner als θg/3 sind. Im vorliegenden Fall – bei nK = 1,45 und nM =
1,34 und einem Genzwinkel θg der Totalreflektion von 67° – sind dies
Einfallswinkel θ < 33° bzw. θ < 22°. In einer
praktischen Ausführungsform
hat sich ein Einfallswinkel von etwa 10° als besonders geeignet erwiesen.
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Aufgrund des größeren Einfallswinkels θ sind die
Lichtwege des erzeugten Lichts LS und des reflektierten Lichts LR
außerhalb
des Körpers 4 räumlich voneinander
getrennt, so dass zum Abbilden des aus der Austrittsapertur des
Lichtleiters 16a austretenden Lichts LS auf die Grenzfläche 8 und zum
Einkoppeln des reflektierten Lichtes LR in die räumlich von der Austrittsapertur
getrennte Eintrittsapertur des Lichtleiters 16b voneinander
ebenfalls räumlich
getrennte Abbildungsoptiken 20a bzw. b verwendet werden
können.