DE60309086T2

DE60309086T2 - Anordnung und Verfahren zum Empfangen von Ultraschall

Info

Publication number: DE60309086T2
Application number: DE60309086T
Authority: DE
Inventors: Fuji Photo Film Co. Eiji Ashigarakami-gun Ogawa
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-03-21
Also published as: DE60309086D1; US20030184753A1; EP1348980A2; US6881189B2; EP1348980A3; EP1348980B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallempfangsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ultraschallempfangsverfahren zum Gewinnen von Ultraschallbildern durch Empfangen von Ultraschallwellen.
Eine Vorrichtung der oben genannten Art ist aus der EP-A-1 156 345 bekannt.
Beschreibung des Standes der Technik
Üblicherweise wurde in einer Ultraschall-Abbildungsvorrichtung als ein Element (Oszillator) zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen ein eindimensionales Sensor-Array verwendet, welches von einem piezoelektrischen Element Gebrauch machte, welches ein piezoelektrisches Keramikmaterial in Form von PZT (Pb-(Blei-)Zirkonat-Titanat) oder ein makromoleküles piezoelektrisches Element wie beispielsweise PVDF (Polyvinylidendifluorid) enthält. Zweidimensionale Bilder in mehreren Querschnitten eines zu prüfenden Objekts werden gewonnen durch mechanisches Verschieben des oben genannten eindimensionalen Sensor-Arrays, ein dreidimensionales Bild wird gewonnen durch Zusammensetzen dieser zweidimensionalen Bilder.
Da allerdings bei dieser Methode eine zeitliche Nacheilung entsteht in der Verschieberichtung des eindimensionalen Sensor-Arrays beim Zusammensetzen von Querschnittsbildern, die zu verschiedenen Seiten aufgenommen sind, kommt es zu verschmierten zusammengesetzten Bildern. Aus diesem Grund eignet sich diese Methode nicht zum Erhalten von Bildern eines lebenden Organismus als Gegenstand bei der Ultraschall- Echountersuchung etc., bei der die Ultraschall-Abbildungsvorrichtung zum Einsatz kommt.
Um qualitativ hochstehende dreidimensionale Bilder mit Ultraschallwellen zu erhalten, ist ein zweidimensionaler Sensor erforderlich, der in der Lage ist, zweidimensionale Bilder zu erhalten, ohne das Sensor-Array zu verschieben.
Wird ein zweidimensionales Sensor-Array unter Verwendung des oben erwähnten PZT oder PVDF gefertigt, so ist eine Mikroverarbeitung von Elementen und Verdrahtung bei einer großen Anzahl von Mikroelementen erforderlich. Allerdings ist es schwierig, eine weitere Miniaturisierung und Integration von Elementen mit Hilfe der derzeitigen Technologie zu erreichen. Selbst wenn die Schwierigkeiten überwunden werden könnten, verbleiben dennoch Probleme insofern, als das Übersprechen zwischen Elementen zunimmt, daß Elektroden der Mikroelemente leicht brechen und daß der Rauschabstand geringer wird aufgrund der Zunahme elektrischer Impedanz, die durch die Mikroverdrahtung bewirkt wird. Deshalb ist es schwierig, das zweidimensionale Sensor-Array unter Verwendung von PZT oder PVDF in der Praxis einzusetzen.
Andererseits gibt es einen weiteren Sensor-Typ. Bei einem Photodetektor-Typ von Ultraschallsensor wird ein empfangenes Ultraschallwellensignal in ein optisches Signal umgewandelt und erfaßt. Als Photodetektor-Typ-Ultraschallsensor wird ein Sensor verwendet, in welchem ein Bragg-Gitter (abgekürzt: FBG) vorhanden ist (vergleiche TAKAHASHI et al., National Defense Academy „Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating", OTPICAL REVIEW, Vol. 4, Nr. 6 (1997), Seiten 691–694), außerdem ein Sensor, in welchem ein Fabry-Perot-Resonator (abgekürzt: FPR) eingesetzt wird (vergleiche UNO et al., Tokyo Institute of Technology „Fabrication and Performance of a Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultrasonic Field Measurement", T. IEE Japan, Vol. 118-E, Nr. 11, 1998, Seiten 487–492). Die Fertigung eines zweidimensionalen Sensor-Arrays unter Verwendung solcher Ultraschallsensoren hat den Vorteil, daß die elektrische Verdrahtung für eine große Anzahl von Mikroelementen nicht erforderlich ist und man eine zufriedenstellende Empfindlichkeit erzielen kann.
Außerdem ist ein Photodetektorsystem-Ultraschallsensor bekannt, der eine zweidimensionale Detektorfläche besitzt. Vergleiche hierzu beispielsweise Beard et al., University College London „Transduction Mechanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing Concept for Wideband Ultrasound Detection" (IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, Vol. 46, Nr. 6, November 1999, Seiten 1575–1582), wo offenbart ist, daß ein Polymerfilm mit einer Fabry-Perot-Struktur zum Nachweisen von Ultraschallwellen verwendet wird. Die Kosten des filmähnlichen Ultraschallsensors lassen sich deshalb senken, weil die Verarbeitung einer großen Anzahl von Mikroelementen nicht erforderlich ist.
In jedem Fall verwendet der Photodetektortyp-Ultraschallsensor ein Ultraschall-Detektorelement mit optischen Reflexionseigenschaften, welche sich durch Empfang von Ultraschallwellen ändern. In dem Ultraschalldetektorelement schwankt allerdings die Nachweisempfindlichkeit stark, weil die optischen Reflexionseigenschaften sich ebenfalls bei Änderungen von Temperatur und Feuchtigkeit ändern. In dem Ultraschalldetektorelement mit einer zweidimensionalen Detektorfläche schwankt außerdem die Nachweisempfindlichkeit deshalb, weil die optischen Reflexionseigenschaften an den einzelnen Positionen der Detektorfläche unterschiedlich sind. Wie oben erläutert, besteht das Problem beim praktischen Einsatz des Photodetektortyp-Ultraschallsensors darin, wie Änderungen der Nachweisempfindlichkeit gesteuert werden können, die durch Umwelteinflüsse wie beispielsweise Temperatur- und Strukturfaktoren hervorgerufen werden. Zu diesem Zweck besteht eine denkbare Lösung beispielsweise darin, die Wellenlänge des von der Lichtquelle zu dem Punkt gelangenden Lichts einzustellen, wo die Empfindlichkeit des Ultraschalldetektorelements hoch ist. Allerdings ist es schwierig, die Wellenlänge von Licht aus der Lichtquelle in bezug auf die Reflexionseigenschaften abzustimmen, die sich äußerst stark ändern. Eine weitere denkbare Lösung besteht darin, breitbandiges Licht auf das Ultraschalldetektorelement mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften an dessen einzelnen Stellen zu lassen und das reflektierte Licht zu filtern. In diesem Fall allerdings wird der Aufbau des Ultraschalldetektorelements kompliziert, seine Kosten steigen. Eine weitere denkbare Lösung besteht darin, die Reflexionseigenschaften für die einzelnen Detektorbereiche des Ultraschalldetektorelements zu variieren. Aber auch in diesem Fall wird der Aufbau des Ultraschalldetektorelements kompliziert, und die Kosten nehmen zu.
Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die EP-A-1 156 345 eine Ultraschallempfangsvorrichtung mit einer schmalbandigen Lichtquelle (die eine begrenzte Anzahl von Frequenzen liefert).
Die DE 43 09 056 zeigt ein Entfernungsmeßgerät mit einem Interferometer, welches von mehreren Stellen, die mit einer breitbandigen Lichtquelle beleuchtet werden, reflektiertes Licht empfängt. Das Interferometer zerlegt das empfangene Licht in ein Spektrum.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Ultraschallempfangsvorrichtung und eines Ultraschallempfangsverfahrens unter Verwendung eines Photodetektorsystems, in welchem Änderungen der Nachweisempfindlichkeit für Ultraschallwellen, hervorgerufen durch Umgebungsänderungen wie beispielsweise Temperaturänderungen und Schwankungen in der Nachweisempfindlichkeit abhängig von Positionen innerhalb des Ultraschalldetektorelements verringert sind, und durch welches Kosten verringert werden, indem die Ausgestaltung der Vorrichtung vereinfacht wird.
Um die oben angesprochenen Probleme zu lösen, enthält eine Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 1.
Außerdem enthält ein Ultraschallempfangsverfahren gemäß der Erfindung die Schritte des Anspruchs 2.
Erfindungsgemäß läßt sich die Beziehung zwischen Wellenlängen und Reflexionsstärke von Licht in den mehreren Detektorbereichen des Ultraschalldetektorelements durch spektrales Separieren des in dem Ultraschalldetektorelement reflektierten Lichts erzielen, wobei dem Licht ermöglicht wird, in die unterschiedlichen photoelektrischen Wandlerele mente einzutreten. Darüber hinaus kann das Nachweissignal entsprechend dem Licht gewonnen werden, welches die optimale Wellenlänge hat, indem vorab solche photoelektrischen Wandlerelemente auf der Grundlage der Beziehung ausgewählt werden, wenn die Ultraschallwellen empfangen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, welches den Aufbau einer Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 ist eine Ansicht des Aufbaus eines AWG-Spektrumseparierelements;
3 ist eine anschauliche Darstellung eines Prinzips zum Nachweisen von Ultraschallwellen unter Verwendung des in 1 gezeigten Ultraschalldetektorelements;
4 ist eine auseinandergezogene Schnittansicht, die das Ultraschalldetektorelement, einen Kollimierabschnitt und einen Verbindungsabschnitt eines in 1 gezeigten optischen Übertragungswegs veranschaulicht;
5 ist ein Flußdiagramm der Arbeitsweise der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
6A bis 6C sind anschauliche Darstellungen der Arbeitsweise der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
7 ist eine Ansicht einer modifizierten Version der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
8A und 8B sind Diagramme von Teilen einer Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 ist eine Ansicht einer modifizierten Version der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
10 ist ein Blockdiagramm einer Ultraschallabbildungsvorrichtung bei Anwendung der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf die Zeichnung werden im folgenden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen, auf ihre wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
1 ist ein Diagramm, welches eine Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Ultraschallempfangsvorrichtung enthält eine Lichtquelle 11, einen Strahlseparator 12, einen optischen Übertragungsweg 13, einen Kollimierabschnitt 14, ein Ultraschalldetektorelement 20, ein Spektrumseparierelement 15, einen Photodetektor 16 und Kollimatorlinsen 17 und 18.
In der folgenden Beschreibung wird die Beziehung zwischen Wellenlängen und Reflexionsintensität von Licht in dem Ultraschalldetektorelement 20 als „Reflexionscharakteristik" bezeichnet.
Als Lichtquelle 11 sollte eine Lichtquelle mit einer Bandbreite verwendet werden, die einen breiteren Bereich über einem geneigten Band der Reflexionscharakteristik des Ultraschalldetektorelements abdecken kann. Die verwendete Lichtquelle ist zum Beispiel eine LED (Leuchtdiode), eine SLD (Superlumineszenzdiode), eine ASE-Lichtquelle (Lichtquelle mit verstärkter spontaner Emission) oder eine LD (Laserdiode) mit größerer Linienbreite.
Der Strahlseparator 12 enthält einen Halbspiegel, einen Lichtzirkulator, einen polarisierenden Strahlspalter etc. Der Strahlseparator 12 ermöglicht, daß aus einer ersten Richtung eintretendes Licht in einer zweiten Richtung durchläuft und Licht, welches aus der zweiten Richtung zurückkehrt, in einer dritten Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, reflektiert. In einer Ausführungsform wird als Strahlseparator 12 ein Halbspiegel verwendet. Der Halbspiegel läßt einfallendes Licht in einer Richtung entgegen der Einfallrichtung durch und reflektiert das von der entgegengesetzten Richtung zurückkommende Licht in die Einfallrichtung, etwa rechtwinklig bei 90° zu der Einfallrichtung.
Der optische Übertragungsweg 13 leitet das durch den Strahlseparator 12 gelangte Licht zu dem Ultraschalldetektorelement 20. Als optischer Übertragungsweg 13 wird ein Faserbündel, in welchem eine große Anzahl optischer Fasern (beispielsweise 1.024 Fasern) gebündelt ist, verwendet. 1 zeigt optische Fasern OF₁–OF_M, die in einer Reihe angeordnet sind. Wie in 1 gezeigt ist, ist die große Anzahl von optischen Fasern zu einer Konfiguration in Form einer Empfangs- oder Aufnahmefläche (beispielsweise in einer kreisförmigen Konfiguration) auf einer Seite des Ultraschalldetektorelements (links in der Zeichnung) gebündelt und in einer Linie auf der Seite des Strahlseparators 12 (rechts in der Zeichnung) angeordnet. Alternativ können mehrere Reihen von in einer Linie angeordneten optischen Fasern übereinander gestapelt werden.
Das vordere Ende des optischen Übertragungswegs 13 ist über den Kollimatorteil 14 mit zueinander fluchtenden optischen Achsen an das Ultraschalldetektorelement 20 gekoppelt. Der Kollimatorteil 14 enthält beispielsweise ein Kollimatorlinsenfeld, in welchem mehrere Kollimatorlinsen angeordnet sind. Der Aufbau des optischen Übertragungswegs 13 und des Kollimatorteils 14 wird weiter unten näher erläutert.
Das Ultraschalldetektorelement 20 besitzt eine zweidimensionale Empfangsfläche 20a, die von einer sich ausbreitenden Ultraschallwelle verzerrt wird, und einen Ultraschalleseteil, der sich abhängig von der von der Empfangsfläche 20a aufgenommenen Ultraschallwelle ausdehnt und zusammenzieht. Da das optische Reflexionsvermögen des Ultraschalllese- oder Ultraschallsensorteils ansprechend auf dieses Ausdehnen und Zusammenziehen ändert, wird das in das Ultraschalldetektorelement 20 über den optischen Übertragungs weg 13 und den Kollimatorteil 14 eingetretene Licht einer Intensitätmodulation unterzogen und dann reflektiert.
Das Spektrumseparierelement 15 enthält ein Beugungsgitter, ein Prisma etc. und gibt das einfallende Licht in Richtungen aus, die abhängig von der Wellenlänge differieren. Das Spektrumseparierelement 15 führt eine Separierung des Spektrums von Lichtstrahlen L₁-L_M aus, die von den optischen Fasern OF₁–OF_M parallel ausgegeben werden, und leitet die im Spektrum separierten Lichtstrahlbündel zu dem Photodetektor 16.
Alternativ kann ein AWG-(Array Waveguide Grating)Spektrumseparierelement als Spektrumseparierelement 15 verwendet werden. 2 zeigt den Aufbau des AWG-Spektrumseparierelements.
Grundsätzlich wird als AWG-Spektrumseparierelement ein Array-Wellenleitergitter verwendet, welches in einer ebenen Lichtwellenschaltung (PLC) enthalten ist. Wie in 2 zu sehen ist, umfaßt das Array-Wellenleitergitter einen eingangsseitigen Slab-Wellenleiter 52, einen ausgangsseitigen Slab-Wellenleiter 54 und eine Mehrzahl von Array-Wellenleitern 55a, 55b, ... mit einer konstanten Differenz zwischen den Wellenleiterlängen. Ein Eingangswellenleiter 51 ist mit dem eingangsseitigen Slab-Wellenleiter 52 verbunden, es sind mehrere Ausgangswellenleiter 53a, 53b, ... an den ausgangsseitigen Slab-Wellenleiter 54 angeschlossen, und die Array-Wellenleiter 55a, 55b, ... verbinden den eingangsseitigen Slab-Wellenleiter 52 mit dem ausgangsseitigen Wellenleiter 54.
Der eingangsseitige Slab-Wellenleiter 52 hat die Form eines Sektors mit einem Ende des Eingangs-Wellenleiters 51 als Krümmungsmittel. Der ausgangsseitige Slab-Wellenleiter 54 hat ebenfalls die Form eines Sektors mit Enden der ausgangsseitigen Wellenleiter 53a, 53b, ... als Krümmungsmittel. Die Array-Wellenleiter 55a, 55b, ... sind radial so angeordnet, daß jede ihrer optischen Achsen durch sowohl die Krümmungsmittelpunkte des eingangsseitigen Slab-Wellenleiters 52 als auch die Krümmungsmittelpunkte des ausgangsseitigen Slab-Wellenleiters 54 laufen. Hierdurch führen der eingangsseitige und der ausgangsseitige Slab-Wellenleiter 52 und 54 eine Funktion aus, die der von Linsen gleicht.
Einfallendes Licht mit unterschiedlichen mehreren Wellenlängen λ₁–λ_n gelangen in den Eingangswellenleiter 51 und werden zu den Array-Wellenleiter 55a, 55b, ... mit Hilfe der Linsenfunktion des eingangsseitigen Slab-Wellenleiters 52 geleitet. Mehrere Wellenlängenkomponenten, die in dem einfallenden Licht enthalten sind, führen zur Anregung in den Array-Wellenleitern 55a, 55b, ... und werden zu den Ausgangswellenleitern 53a, 53b ... mit Wellenleiterlängen geleitet, die den einzelnen Wellenlängen entsprechen.
Erneut auf 1 bezugnehmend, detektiert der Photodetektor 16 die mehreren Wellenlängenkomponenten, die von dem Spektrumseparierelement 15 spektral separiert wurden. Als Photodetektor 16 wird ein zweidimensionaler photoelektrischer Wandler verwendet, der mehrere photoelektrische Wandlerelemente enthält, die in zweidimensionaler Weise angeordnet sind und separat in einzelnen Positionen einfallendes Licht erfassen können. Ein PDA (Photodioden-Array), ein MOS-Sensor etc. kann als zweidimensionaler photoelektrischer Wandler verwendet werden. Alternativ kann ein programmierbarer zweidimensionaler Sensor wie beispielsweise ein CCD-Sensor (ladungsgekoppeltes Bauelement) verwendet werden.
Der optische Übertragungsweg 13, das Spektrumseparierelement 15 und der Photodetektor 16 sind derart angeordnet, daß eine Komponente mit einer vorbestimmten Wellenlänge in einem von einem vorbestimmten Mikrobereich des Ultraschalldetektorelements reflektiertes Lichtstrahlbündel in ein vorbestimmtes photoelektrisches Wandlerelement des Photodetektors 16 eintritt. Bei dieser Ausführungsform sind Lichtstrahlen L₁, L₂, ..., die von den optischen Fasern OF₁, OF₂, ..., die mit unterschiedlichen Bereichen des Ultraschalldetektorelements verbunden sind, die der ersten Reihe, der zweiten Reihe, ... der photoelektrischen Wandlerelemente entsprechen, in zweidimensionaler Weise angeordnet. Die Wellenlängen λ₁, λ₂, ... der im Spektrum separierten Komponenten entsprechen außerdem der ersten Spalte, der zweiten Spalte, ... der photoelektrischen Wandlerelemente. Durch Anordnen des optischen System in der Weise, daß diese Entsprechungen erreicht werden, wird das von dem photoelektrischen Wandlerelement in der Reihe n und in der Spalte m als Komponente mit der Wellenlänge λ_n identifiziert, di in dem Lichtstrahlbündel L_m enthalten ist, welches von der optischen Faser OF_m ausgegeben wird.
Die Kollimatorlinse 17 kollimiert das von der Lichtquelle 11 ausgegebene Licht und ermöglicht den Eintritt des Lichts in den Strahlseparator 12. Die Kollimatorlinse 18 kollimiert außerdem das von den optischen Fasern OF₁, OF₂, ... ausgegebene Licht und ermöglicht den Eintritt des Lichts in den Strahlseparator 12.
Anhand der 3 soll im folgenden der Aufbau des Ultraschalldetektorelements 20 sowie das Nachweisprinzip für eine Ultraschallwelle näher beschrieben werden. Das Ultraschalldetektorelement 20 ist ein mehrlagiger Sensor mit einem Substrat 21 und einem mehrlagigen Film 22, der auf das Substrat auflaminiert ist. Dieser mehrlagige Film 22 bildet eine Bragg-Gitterstruktur und dient als Ultraschall-Sensorteil.
Das Substrat 21 ist ein filmähnliches Substrat, welches bei Empfang einer Ultraschallwelle verzerrt wird und eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von etwa 2 cm besitzt oder einen größeren Flächenbereich aufweist. Auf dem Substrat 21 ist der mehrlagige Film 22 mit der Bragg-Gitterstruktur durch abwechselndes Auflaminieren von zwei Materialschichten mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes ausgebildet. 3 zeigt Materialschichten A mit einem Brechungsindex n₁ und Materialschichten B mit einem Brechungsindex n₂.
Angenommen, ein Mittenabstand (Distanz) einer periodischen Struktur des mehrlagigen Films 22 betrage „d", und die Wellenlänge des einfallenden Lichts betrage „λ", so drückt sich die Reflexionsbedingung nach Bragg durch folgende Formel aus: 2d·sinθ = mλ (1)
Dabei bedeutet „θ" einen zwischen der Einfallebene und dem einfallenden Licht gebildeten Winkel, und „m" ist eine beliebige natürliche Zahl. Angenommen, θ = π/2, so gilt folgende Formel 2d = mλ (2)
Das Bragg-Gitter reflektiert selektiv Licht mit einer spezifischen Wellenlänge, die die Reflexionsbedingungen nach Bragg erfüllt, und läßt Licht mit anderen Wellenlängen durch.
Wenn eine Ultraschallwelle zu dem Ultraschall-Detektorelement 20 läuft, so wird das Detektorelement 20 mit der sich ausbreitenden Ultraschallwelle verzerrt, und der Mittenabstand „d" der periodischen Struktur ändert sich an den einzelnen Stellen des mehrlagigen Films 22. Dementsprechend ändert sich die Wellenlänge „λ" des selektiv reflektierten Lichts. In der Reflexionskennlinie des Bragg-Gitters gibt es ein geneigtes Band, wo sich das optische Reflexionsvermögen ändert, wobei in der Nähe der Mittenwellenlänge des Bands das optische Reflexionsvermögen am stärksten ist (das heißt die optische Durchlässigkeit am geringsten ist). Während innerhalb des Bereichs des geneigten Bands Licht mit der Mittenwellenlänge in den mehrlagigen Film 22 eingelassen wird, wird eine Ultraschallwelle angelegt, und dann ist es möglich, Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts (oder des Durchlaßlichts) entsprechend der Intensität der Ultraschallwelle an den einzelnen Stellen der Empfangsfläche zu beobachten. Die zweidimensionale Stärken-Verteilungsinformation der Ultraschallwelle läßt sich dadurch erhalten, daß man die Intensitätsänderungen des Lichts umwandelt in die Intensität der Ultraschallwelle.
Quarzglas (SiO₂), optisches Glas wie zum Beispiel BK7 (ein Produkt der Firma SCHOTT) etc. dient als Werkstoff für das Substrat 21. Eine Kombination von Substanzen mit Brechungsindizes, die um 10 % oder mehr voneinander verschieden sind, wird für die Substanzen der Materialschichten A und B bevorzugt. Beispielsweise erwähnt sei eine Kombination aus SiO₂ und Titanoxid (Ti₂O₃), eine Kombination aus SiO₂ und Tantaloxid (Ta₂O₅) und dergleichen. Die Materialschichten A und B werden auf dem Substrat 21 durch Aufdampfen im Vakuum, durch Sputtern etc. gebildet.
Um Mehrfachreflexionen einer Ultraschallwelle zu reduzieren, ist es wirksam, die Strecke zu verlängern, über die sich die Ultraschallwelle ausbreitet. Wenn sich die Ultraschallwelle ausbreitet, wird nicht wenig von der Ultraschallwelle gedämpft. Die längere Ausbreitungsstrecke führt in einer stärkeren Dämpfung. Aus diesem Grund ist es dadurch, daß man eine ausreichende Ausbreitungsentfernung gewährleistet, möglich, die Ultraschallwelle in zufriedenstellender Weise vor einem Zeitpunkt zu dämpfen, zu dem die zu dem einen Ende hin sich ausbreitende Ultraschallwelle an dem anderen Ende reflektiert wird und zu dem einen Ende zurückläuft. Aus diesem Grund wird bei dieser Ausführungsform eine optische Faser als optischer Übertragungsweg verwendet, und die empfangene Ultraschallwelle kann durch die optische Faser laufen. Das heißt: der optische Übertragungsweg hat sowohl die Funktion, Licht durchzulassen, als auch die Funktion, als Trägerteil zum Dämpfen der Ultraschallwelle zu dienen.
4 ist eine auseinandergezogene Schnittansicht, die einen Teil des optischen Übertragungswegs 13, den Kollimatorteil 14 und das Ultraschalldetektorelement 20 nach 1 veranschaulicht. Wie aus 4 hervorgeht, sind die in dem optischen Übertragungsweg (dem Faserbündel) 13 enthaltenen optischen Fasern OF₁, OF₂, ... mit mehreren Kollimatorlinsen 14a gekoppelt, die in dem Kollimierteil (dem Kollimatorlinsenarray) 14 enthalten sind, wobei ihre optischen Achsen miteinander ausgerichtet sind, und die Fasern in einer zweidimensionalen Anordnung gelegen und mit dem Ultraschalldetektorelement 20 gekoppelt sind. Die optischen Fasern OF₁, OF₂, ... sind mit Hilfe eines Klebstoffs 25 gebündelt.
Die optischen Fasern OF₁, OF₂, ... sind beispielsweise Einzelmoden- oder Multimoden-Fasern mit einer Länge von etwa 2 m, sie sind bedeckt mit einem Stoff (einem Abdeckmaterial 23), welches ein Harzmaterial geringer Viskosität enthält. Um die Ultraschallwelle während des Durchgangs durch die optische Faser zu dämpfen, ist die Länge von 2 m wirksam, wobei der Ausbreitungsenergieverlust der Ultraschallwelle weiter gesteigert wird durch Überziehen der optischen Faser mit dem oben erwähnten Material, was zu einer frühen Ultraschallwellen-Dämpfung führt.
Das in den Fasern OF₁, OF₂, ... übertragene Licht wird gebeugt, wenn es aus den optischen Fasern austritt. Wenn folglich die optischen Fasern OF₁, OF₂, ... direkt mit dem Ultraschalldetektorelement 20 gekoppelt sind, wird das Licht diffundiert und es kommt innerhalb des Ultraschalldetektorelements in zufriedenstellender Weise nicht zu Interfe renz. Im Ergebnis wird die Nachweisempfindlichkeit in dem Ultraschalldetektorelement deutlich geringer. Um dies Phänomen zu vermeiden, sind die Kollimatorlinsen 14a mit den Enden der optischen Fasern OF₁, OF₂, ... verbunden, um eine Diffusion des Ausgangslichts zu vermeiden. Die Kollimatorlinsen 14a kollimieren das von den einzelnen optischen Fasern OF₁, OF₂, ... geleitete Licht an mehreren Stellen der Ultraschallempfangsfläche des Ultraschalldetektorelements 20.
Eine Gradientenindexlinse (im folgenden als GRIN-Linse abgekürzt) dient als Kollimatorlinse 14a. Die GRIN-Linse ist beispielsweise erhältlich unter der Handelsbezeichnung Selfoc (Warenbezeichnung der NIPPON SHEET GLASS CO., LTD.). Die GRIN-Linse ist eine Gradienten-Brechungsindex-Linse mit einem Brechungsindex, der abhängig von der Position schwankt, die optischen Eigenschaften ändern sich durch Ändern der Länge. Wenn beispielsweise die GRIN-Linse derart ausgebildet ist, daß ihre Länge 1/4 des Abstands zwischen einem Objekt und einem Bild beträgt (einem Abstand, bei dem das Licht ein aufrechtes Bild fokussiert), so wird das einfallende Licht als paralleles Licht ausgegeben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Selfoc-Linsenarray NAO.46 (ein Produkt der NIPPON SHEET GLASS CO., LTD.), in welchem eine Anzahl von Selfoc-Linsen angeordnet ist, mit einer Länge von 0,25 L verwendet (L: der Abstand zwischen Objekt und Bild), wobei jede Selfoc-Linse als Kollimatorlinse 14a mit der optischen Faser verbunden ist.
Wie in 4 gezeigt ist, kann die Kollimatorlinse 14a mit einem Überzugmaterial 23a überzogen sein, damit die Ultraschallwelle früher gedämpft wird als im Fall der optischen Fasern OF₁, OF₂, ...
Die optische Faser und die Kollimatorlinse oder die Kollimatorlinse und das Ultraschalldetektorelement sind mit Hilfe einer Schmelzverbindung oder eines Klebstoffs verbunden. Im Fall der Verwendung eines Klebstoffs ist es bevorzugt, einen Harz-Klebstoff der Epoxy-Klebstoffserie zu verwenden. Bei dem obigen Klebstoff ist es möglich, eine Refle xion der Ultraschallwelle an den jeweiligen Grenzen der Teile während der Wellenausbreitung zu verhindern, da die akustische Impedanz des Klebstoffs derjenigen der Elemente der optischen Faser und der Kollimatorlinse sowie des Substrats des Ultraschalldetektorelements nahekommt. Außerdem ist es bevorzugt, den Harz-Klebstoff einschließlich Klebstoffen der Epoxy-Serie als Klebstoff 25 zum Bündeln der mehreren optischen Fasern zu verwenden, weil ein solcher Klebstoff die Ultraschallwelle dämpfen kann, ein Nebensprechen der Ultraschallwelle zwischen benachbarten optischen Fasern verhindert und die Flexibilität eines Kabels aufrecht erhalten kann. Bei dieser Ausführungsform wird als Klebstoff STYCAST (ein Produkt von Emerson & Cuming) verwendet.
Im folgenden soll anhand der 1, 5 und 6A–6C die Arbeitsweise der Ultraschallempfangsvorrichtung dieser Ausführungsform beschrieben werden. 5 ist ein Flußdiagramm, welches die Arbeitsweise der Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
Als erstes erfolgt vor dem Empfang einer Ultraschallwelle eine Kalibrierung. Kalibrierung bedeutet einen Vorgang zum Messen der Reflexionscharakteristik des Ultraschalldetektorelements zu gegebener Zeit sowie das Bestimmen von Wellenlängenkomponenten, die als Detektorsignal angelegt werden. Das Ultraschalldetektorelement ist in hohem Maße empfindlich für Umgebungseinflüsse wie beispielsweise Temperatur und Feuchtigkeit, wobei die Reflexionscharakteristik änderbar ist. Beispielsweise ändert sich die Mittenwellenlängen des reflektierten Lichts des Ultraschalldetektorelements unter Verwendung des Bragg-Gitters mit 0,01 nm/°C. Weiterhin gibt es in dem Ultraschalldetektorelement mit einer zweidimensionalen Detektorfläche strukturelle Schwankungen in den jeweiligen Mikrobereichen auf der Oberfläche. Um Änderungen in der Empfindlichkeit, die durch solche Umweltfaktoren und strukturellen Faktoren hervorgerufen werden, zu reduzieren, wird vorab die Kalibrierung durchgeführt.
Man beachte, daß die Kalibrierung bedarfsweise nach dem Beginn des Empfangs einer Ultraschallwelle vorgenommen werden kann.
Im Schritt S1 wird die Ultraschallempfangsvorrichtung aktiviert, und dementsprechend wird breitbandiges Licht mit einem in 6A dargestellten Spektrum von der Lichtquelle 11 ausgegeben. Das von der Lichtquelle ausgegebene Licht läuft durch die Kollimatorlinse 17, den Strahlseparator 12 und die Kollimatorlinse 18 und tritt in die in einer Linie angeordneten optischen Fasern OF₁–OF_M ein. Das durch jede der Fasern geleitete Licht gelangt in die einzelnen Mikrobereiche des Ultraschalldetektorelements 20, und das ansprechend auf das Reflexionsvermögen der einzelnen Mikrobereiche reflektierte Licht wird von den optischen Fasern ausgegeben. Die von den optischen Fasern OF₁–OF_M ausgegebenen Lichtstrahlen L₁–L_M laufen erneut durch die Kollimatorlinse 18, werden von dem Strahlseparator 12 reflektiert und gelangen in das Spektrumseparierelement 15. Dort werden die Lichtstrahlen L₁–L_M spektral separiert, und die einzelnen Wellenlängenkomponenten treten in die mehreren photoelektrischen Wandlerelemente ein, die in den einzelnen Spalten des Photodetektors 16 enthalten sind, abhängig von der Wellelänge.
Im Schritt S2 werden die Detektorsignale der photoelektrischen Wandlerelemente entsprechend den Wellenlängen λ₁–λ_N von den einzelnen Spalten des Photodetektors entsprechend den Lichtstrahlen L₁–L_M erhalten.
6B ist eine graphische Darstellung, die basierend auf dem Detektorsignal in dem photoelektrischen Wandlerelement erhalten wird, welches in der Spalte m des Photodetektors 16 enthalten ist. Die Darstellung zeigt eine spektrale Verteilung des Lichtstrahls L_m, der durch die optische Faser OF_m gelaufen ist und von dem entsprechenden Mikrobereich des Ultraschalldetektorelements reflektiert wird. Wie in 6B gezeigt ist, besitzt der Lichtstrahl L_m die größte Intensität bei der Wellenlänge λ_x, wobei der Lichtstrahl L_m selektiv unter der Bragg-Reflexionsbedingung reflektiert wird.
6C zeigt die Reflexions-Charakteristik des Bragg-Gitters in dem Mikrobereich entsprechend dem Lichtstrahl L_m in dem Ultraschalldetektorelement. Wie oben beschrieben wurde, gibt es in der Reflexionskennlinie des Bragg-Gitters ein geneigtes Band Δλ, wo sich das Reflexionsvermögen in der Nähe der Mittenwellenlänge λ_x, also dort, wo das Reflexionsvermögen am größten ist (wo die Durchlässigkeit am geringsten ist) steil än dert. Betrachtet man die Änderungen im Aufbau des Bragg-Gitters durch Aufbringen einer Ultraschallwelle, so beobachtet man starke Intensitätsänderungen in dem spektral separierten Bereich des geneigten Bands Δλ. Dies ist in den 6B und 6C bei λ_n dargestellt.
Bezüglich des dem Lichtstrahl L_m in dem Ultraschalldetektorelement entsprechenden Mikrobereichs zeigt folglich das Licht mit dem spektral separierten Bereich bei der Wellenlänge λ_n als Mittenwellenlänge die ausgeprägtesten Intensitätsänderungen. Das heißt: bezüglich der optischen Faser OF_m ist es möglich, die größte Nachweisempfindlichkeit dadurch zu erzielen, daß man das Signal von dem photoelektrischen Wandlerelement (n, m) gewinnt, in welches die Wellenlängenkomponente λ_n in der Spalte m des Photodetektors als Detektorsignal der Ultraschallwelle eingetreten ist.
In ähnlicher Weise ist es möglich, die größte Nachweisempfindlichkeit in den einzelnen Mikrobereichen des Ultraschalldetektorelements 20 zu erzielen, wenn die photoelektrischen Wandlerelemente ausgewählt werden aus solchen Spalten, in die die Lichtstrahlen L₁, L₂, ... eintreten, die aus OF₁, OF₂, ... kommen, wobei die von den ausgewählten Elementen ausgegebenen Signale als Detektorsignale der Ultraschallwelle verwendet werden.
Nochmals auf 5 bezugnehmend, werden die zu verwendenden photoelektrischen Wandlerelemente ausgewählt aus den jeweiligen Spalten des Photodetektors 16 auf der Grundlage der Kalibrierungs-Ergebnisse.
Als nächstes erfolgt der Empfang einer Ultraschallwelle.
Im Schritt S4 wird die Ultraschallempfangsvorrichtung aktiviert. Dementsprechend tritt von der Lichtquelle ausgegebenes breitbandiges Licht in die Mikrobereiche des Ultraschalldetektorelements 20 über die optischen Fasern OF₁–OF_M ein. Die von den einzelnen Mikrobereichen reflektierten Lichtstrahlen L₁–L_M werden spektral in dem Spektrumseparierelement 15 separiert und treten in den Photodetektor 16 ein.
In diesem Zustand gelangt die Ultraschallwelle an das Ultraschalldetektorelement 20 (Schritt S5). Dann ändert sich der Mittenabstand in der periodischen Struktur in den einzelnen Mikrobereichen des Ultraschalldetektorelements 20, und die von den photoelektrischen Wandlerelementen, die im Schritt S3 ausgewählt wurden, ausgegebenen Detektorsignale zeigen deutliche Intensitätsänderungen.
Als nächstes werden im Schritt S6 die von den im Schritt S3 ausgewählten photoelektrischen Wandlerelementen ausgegebenen Detektorsignale gewonnen. Eine Verarbeitung dieser Detektorsignale schließt sich an, und die Intensitätsänderungen des reflektierten Lichts werden umgesetzt in die Intensität der Ultraschallwelle. Hierdurch läßt sich die Intensität der in den jeweiligen Mikrobereichen des Ultraschalldetektorelements empfangenen Ultraschallwelle in einem zweidimensionalen Zustand messen.
7 zeigt ein Beispiel für eine Modifizierung der ersten Ausführungsform. Bei diesem Beispiel wird anstelle des in 1 gezeigten Ultraschalldetektorelements 20 ein Ultraschalldetektorelement (ein Etalon-Sensor) 30 gemäß 7 verwendet. Der Aufbau der übrigen Teile ist der gleiche, wie er anhand der 1 und 4 beschrieben wurde.
Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Substrat 31 ein filmähnliches Substrat, das von einer Ultraschallwelle verformt wird. Ein Substrat 32 steht dem Substrat 31 gegenüber, so daß die Substrate eine Struktur wie bei einem Etalon bilden.
Angenommen, das optische Reflexionsvermögen der Substrate 31 und 32 betrage „R", der Abstand zwischen den Substraten betrage „d", und die Wellenlänge des einfallenden Lichts sei „λ"; dann ergibt sich folgende Durchlässigkeit des Etalons: T = {1 + 4R/(1 – R)2·sin2(ϕ/2)}–1 (3) ϕ = 2π/λ·2nd·cosθ (4)
„θ" ist der Austrittswinkel, gemessen bezüglich der senkrechten Linie auf der Austrittsebene, und „n" ist eine beliebige natürliche Zahl. Angenommen, daß θ = 0, so gilt folgende Formel: ϕ = 4πnd/λ (5)
Das Etalon läßt das Licht mit der Wellenlänge „λ" mit einer optischen Durchlässigkeit T durch und reflektiert das Licht mit einem optischen Reflexionsvermögen R = (1 – T).
Wenn sich eine Ultraschallwelle zu dem Ultraschalldetektorelement 30 ausbreitet, so ändert sich, weil das Substrat 31 verzerrt wird und sich der Abstand „d" zwischen den Substraten 31 und 32 an den einzelnen Stellen der Empfangsfläche ändert, auch das Reflexionsvermögen für das Licht mit der Wellenlänge „λ". Ähnlich den in Verbindung mit 5 beschriebenen Schritten erfolgt ein Vorab-Detektieren, und die photoelektrischen Wandlerelemente, in die Licht mit einer Mittenlängenwelle in einer Zone eintritt, in der sich das optische Reflexionsvermögen stark ändert, werden in dem Photodetektor ausgewählt, und es wird eine Ultraschallwelle an das Substrat 31 gelegt, während breitbandiges Licht eintritt. Hierdurch ist es möglich, Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts abhängig von der Intensität der Ultraschallwelle an den einzelnen Positionen der Empfangsfläche zu beobachten. Durch Umwandeln der Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts in die Intensität der Ultraschallwelle läßt sich die Intensität der Ultraschallwelle in einem zweidimensionalen Zustand messen.
Als nächstes wird anhand der 8A und 8B eine Ultraschallempfangsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform wird anstelle des Ultraschalldetektorelements 20, des optischen Übertragungswegs 13 und des Kollimatorteils 14 nach 1 ein Faserbündel 40 mit einem Ultraschall-Sensorteil verwendet, wie in 8A gezeigt ist. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
8B zeigt den Aufbau einer Faser 40a, die in dem Faserbündel 40 enthalten ist. Die Faser 40a enthält eine optische Faser 41 und eine Kollimatorlinse 42. Bei dieser Ausführungsform wird eine Selfoc-Linse mit einer Länge von 0,25 L als Kollimatorlinse 42 verwendet, genauso wie bei der ersten Ausführungsform. Außerdem sind die beiden Teile miteinander durch eine Schmelzverbindung oder durch ein Harz-Klebemittel, welches Klebstoffe der Epoxy-Serie enthält, verbunden.
An einem Ende der Kollimatorlinse 42 ist ein mehrlagiger Film 43 angeformt, in welchem zwei verschiedene Materialschichten abwechselnd laminiert sind. Der mehrlagige Film 43 bildet eine Bragg-Gitterstruktur und fungiert als Ultraschallsensorteil. Als Material für den mehrlagigen Film 43 wird zum Beispiel eine Kombination aus SiO₂ und Titanoxid (Ti₂O₃), eine Kombination aus SiO₂ und Tantaloxid (Ta₂O₅) etc. verwendet. Die oben beschriebene Materialschicht wurde auf der Kollimatorlinse 42 durch Vakuum-Aufdampfen, Sputtern oder dergleichen gebildet.
Die Faser 40a ist durch ein Element (Abdeckmaterial 44) geringer Viskosität abgedeckt, so daß eine Ultraschallwelle gedämpft wird, bevor die sich zu einem Ende der Faser 40a hin ausbreitende Welle am anderen Ende der Faser reflektiert wird. Außerdem kann gemäß 8B das Abdeckmaterial 44 auch die Kollimatorlinse 42 bedecken. Da also der Energieverlust der zur Faser 40a laufenden Ultraschallwelle vergrößert werden kann, läßt sich ein Effekt als Trägerteil steigern, indem die Ultraschallwelle früher gedämpft wird.
Das Faserbündel 40 mit dem Ultraschallsensorteil wird hergestellt durch Bündeln einer Anzahl derartiger Fasern 40a, wie sie oben erläutert wurden, unter Einsatz eines Harz-Klebstoffs, einschließlich Klebstoffen der Epoxy-Serie.
Die oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispiele sehen vor, die Ultraschallwellen-Erfassungsleistung zu steigern durch Hinzufügung eines Lichtverstärkers. Anhand der 9 soll diese Modifizierung im folgenden erläutert werden.
In einer Ultraschallempfangsvorrichtung nach 9 ist ein Lichtverstärker 91 und/oder ein Lichtverstärker 92 der in 1 gezeigten Ultraschallempfangsvorrichtung hinzugefügt. Der Lichtverstärker 91 befindet sich zwischen der Kollimatorlinse 17 und dem Strahlseparator 12, er verstärkt das von der Kollimatorlinse 17 her eintretende parallele Licht und gibt das Licht an den Strahlseparator 12 aus. Andererseits befindet sich der Lichtverstärker 92 zwischen dem Strahlseparator 12 und dem Spektrum-Separierelement 15, er verstärkt das von dem Strahlseparator 12 eintretende Licht und gibt das verstärkte Licht an das Spektrum-Separierelement 15 aus.
Als Lichtverstärker wird beispielsweise ein optischer Faserverstärker, der mit Erbium (Er) verstärkt ist, das heißt ein EDFA (Er-dotierter optischer Faserverstärker) verwendet. Der EDFA kann die Intensität des Lichts um etwa ein bis zwei Größenordnungen erhöhen.
Wenn der Lichtverstärker sich zwischen der Lichtquelle 11 und dem Ultraschalldetektorelement 20 befindet, wird die Intensität des in das Ultraschalldetektorelement 20 eintretenden Einfallichts verstärkt. Wenn, alternativ, der Lichtverstärker sich zwischen dem Ultraschalldetektorelement 20 und dem Photodetektor 16 befindet, ändert sich zwar nicht die Intensität des in das Ultraschalldetektorelement 20 eintretenden Lichts, jedoch wird die Intensität des reflektierten Lichts verstärkt, welches in den Photodetektor 16 gelangt. In diesem Fall werden auch die Änderungen in der Intensität des reflektierten Lichts verstärkt, welches von der empfangenen Ultraschallwelle moduliert wurde.
In jedem Fall wird, da die Menge des reflektierten Lichts, die in den Photodetektor 16 eintritt, durch Verstärkung der Intensität im Lichtzustand gesteigert, der Einfluß von elektrischem Rauschen in dem Photodetektor 16 reduziert, was zu einem erhöhten Rauschabstand der Ultraschallempfangsvorrichtung führt. Wenn außerdem beide Lichtverstärker gleichzeitig eingesetzt werden, läßt sich der Rauschabstand noch weiter steigern.
Anhand der 10 wird eine Ultraschallabbildungsvorrichtung mit der Ultraschallempfangsvorrichtung der ersten oder der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Eine Ultraschalldetektoreinheit 60 nach 10 enthält ein Ultraschalldetektorelement der ersten oder der zweiten Ausführungsform und ist mit der Linse 18 und dem Strahlseparator 12 über den Kollimierteil und den optischen Übertragungsweg gekoppelt.
Die Ultraschallabbildungsvorrichtung enthält außerdem eine Ultraschallsendeeinheit 70 und eine Treibersignal-Erzeugungsschaltung 71. Die Ultraschallübertragungseinheit 70 überträgt eine Ultraschallwelle auf der Grundlage eines von der Schaltung 71 erzeugten Treibersignals. Die Ultraschallübertragungseinheit 70 enthält zum Beispiel einen Oszillator, der durch Elektroden auf einem piezoelektrischen Element gebildet ist. Das piezoelektrische Element besteht aus piezoelektrischem Keramikmaterial in der Form PZT (Pb-(Blei-)Zirkonat-Titanat), Werkstoffe, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, repräsentiert durch ein Makromolekül-Piezoelektroelement wie beispielsweise PVDF (Polyvinylidendifluorid) etc. Das Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Oszillators durch Senden eines elektrischen Impulssignals oder eines Dauerwellensignals dehnt sich das piezoelektrische Element aus und zieht sich zusammen aufgrund des piezoelektrischen Effekts. Hierdurch wird von dem Oszillator ein Ultraschallimpuls oder eine kontinuierliche Ultraschallwelle erzeugt.
Die von der Ultraschallübertragungseinheit 70 gesendete Ultraschallwelle wird von einem zu prüfenden Objekt reflektiert und von der Ultraschalldetektoreinheit 60 empfangen. Zu diesem Zeitpunkt dehnt sich der Ultraschallsensorteil der Ultraschalldetektoreinheit 60 entsprechend der an der Empfangsfläche empfangenen Ultraschallwelle aus und zieht sich zusammen, wobei sich das optische Reflexionsvermögen des Ultraschallsensorteils entsprechend der Ausdehnung und Zusammenziehung ändert. Andererseits tritt das von der Lichtquelle erzeugte und durch den Strahlseparator 12 gelaufene Licht in die Ultraschalldetektoreinheit 60 ein. Das Licht wird aufgrund der Änderungen der optischen Reflexionsfähigkeit in der Ultraschalldetektoreinheit 60 einer Intensitätsmodulation unterzogen und reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt in das Spektrum-Separierelement 15 über die Kollimatorlinse 18 und den Strahlseparator 12, sein Spektrum wird separiert, und dann gelangt das Licht in den Photodetektor 16.
Weiterhin enthält die Ultraschallabbildungsvorrichtung eine Systemsteuereinheit 80, eine Signalverarbeitungseinheit 81, einen A/D-Wandler 82, eine Primärspeichereinheit 83, eine Bildverarbeitungseinheit 84, eine Bildanzeigeeinheit 85 und eine Sekundärspeichereinheit 86.
Ein von einem vorbestimmten photoelektrischen Wandlerelement des Photodetektors 16 ausgegebenes Detektor- oder Nachweissignal wird einer Verarbeitung unterzogen, zum Beispiel einer Phaseneinrichtung, einer logarithmischen Verstärkung und einer Demodulation, was in der Signalverarbeitungseinheit 81 geschieht, und dann wird das Signal in dem A/D-Wandler 82 in ein digitales Signal umgewandelt.
Die Primärspeichereinheit 83 speichert Daten über eine Mehrzahl von Ebenen basierend auf den umgewandelten Daten. Die Bildverarbeitungseinheit 84 bildet anhand der Daten zweidimensionale oder dreidimensionale Daten und führt eine Verarbeitung wie zum Beispiel eine Interpolation, eine Antwort-Modulationsverarbeitung und eine Tonverarbeitung durch. Die Bildanzeigeeinheit 85 ist eine Anzeigevorrichtung wie beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre oder eine LCD-Anzeige, und sie stellt Bilder aufgrund der verarbeiteten Bilddaten dar. Weiterhin speichert die Sekundärspeichereinheit 86 in de Bildverarbeitungseinheit 84 verarbeitete Daten.
Die Systemsteuereinheit 80 steuert die Treibersignal-Erzeugungsschaltung 71 zum Erzeugen eines Treibersignals mit vorbestimmter zeitlicher Lage, und sie steuert die Signalverarbeitungseinheit 81, damit diese das von dem Photodetektor 16 ausgegebene Detektorsignal nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne nach der Übertragung übernimmt. Damit ist es möglich, die von einer spezifischen Tiefe des Objekts reflektierte Ultraschallwelle zu erfassen, indem man das Treibersignal und das Detektorsignal derart steuert, daß die Zeitspannen zum Lesen begrenzt werden. Darüber hinaus steuert die Systemsteuereinheit 80 die Signalverarbeitungseinheit 81, um Reflexions-Charakteristika in den mehreren Detektorbereichen der Ultraschalldetektoreinheit 60 aufgrund der Detektionsergebnisse des Photodetektors 16 zur Zeit der Kalibrierung zu gewinnen, um einen Satz von photoelektrischen Wandlerelementen zur Verwendung beim Detektieren der Ultraschallwelle von den mehreren photoelektrischen Wandlerelementen des Photodetektors 16 auf der Grundlage der Reflexions-Charakteristika auszuwählen, und um die von der ausgewählten Menge photoelektrischer Wandlerelemente ausgegebenen Signale als die Detektorsignale zu verwenden, wenn die Ultraschallwelle empfangen wird.
Die Ultraschalldetektoreinheit 60 und die Ultraschallübertragungseinheit 70 können separat vorgesehen werden, oder eine Ultraschallsonde 1 kann zusammengesetzt sein aus einer Kombination der Ultraschallübertragungseinheit 70 und der Ultraschalldetektoreinheit.
Wie oben beschrieben wurde, kann man eine hohe Nachweisempfindlichkeit aufrecht erhalten, da die Reflexions-Charakteristik des Ultraschalldetektorelements durch Kalibrierung gewonnen wird und das photoelektrische Wandlerelement, welches für den Detektiervorgang zu verwenden ist, anhand der Reflexions-Charakteristik ausgewählt wird, auch wenn sich diese Reflexions-Charakteristik bei Umgebungseinflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit ändert. Darüber hinaus ist es in ähnlicher Weise möglich, Schwankungen der Empfindlichkeit in den einzelnen Detektorbereichen des Ultraschalldetektorelements zu reduzieren. Da breitbandiges Licht verwendet wird und die für die Detektierung verwendete Wellenlänge aus dem im Spektrum separierten Licht ausgewählt wird, ist es nicht erforderlich, die Wellenlänge des Lichts abhängig von der Umgebung und des Detektorbereichs oder abhängig von der Änderung der Reflexions-Charakteristik entsprechen den einzelnen Detektorbereichen zu steuern. Hierdurch wiederum ist es möglich, die Ultraschallempfangsvorrichtung durch Vereinfachung ihres Aufbaus zu miniaturisieren. Damit läßt sich die Fertigung der Ultraschallempfangsvorrichtung vereinfachen, die Fertigungskosten lassen sich reduzieren.

Claims

Ultraschallempfangsvorrichtung, umfassend: eine Lichtquelle (11); ein Ultraschalldetektorelement (20, 30, 40), enthaltend einen Ultraschall-Sensorteil, der durch eine empfangene Ultraschallwelle ausgeweitet und zusammengezogen wird, wodurch sich sein optisches Reflexionsvermögen nach Maßgabe der Ausdehnung und Zusammenziehung ändert und dadurch eine Intensitätsmodulation des von der Lichtquelle erzeugten Lichts erfolgt; eine Photodetektoreinrichtung (16) mit einer Mehrzahl von photoelektrischen Wandlerelementen zum Nachweisen des von der Spektrumsepariereinrichtung für jede von mehreren Wellenlängenkomponenten im Spektrum separierten Lichts, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle dazu ausgebildet ist, breitbandiges Licht zu erzeugen, die Spektrum-Separiereinrichtung (15) vorgesehen ist, um das von dem Ultraschall-Detektorelement in der Intensität modulierte Licht im Spektrum zu separieren, wobei: das Ultraschall-Detektorelement (20, 30, 40) eine Mehrzahl von Detektorbereichen besitzt, von denen jeder zum Nachweisen einer Ultraschallwelle dient; die Spektrum-Separiereinrichtung (15) mehrere Lichtstrahlen, die von den mehreren Detektorbereichen des Ultraschall-Detektorelements im Ganzen geführt werden, spektral separiert; und die Photodetektoreinrichtung (16) die mehreren Lichtstrahlen, die von der Spektrum-Separiereinrichtung spektral separiert wurden, für jede der mehreren Wellenlängenkomponenten nachweist, weiterhin umfassend: eine Steuereinrichtung (80) zum Ermitteln einer Beziehung zwischen Wellenlängen und Reflexionsstärke des Lichts in den mehreren Detektorbereichen des Ultraschall-Detektorelements (20, 30, 40) auf der Grundlage eines Nachweisergebnisses der Photodetektoreinrichtung in einem Kalibriermodus, um einen Satz von photoelektrischen Wandlerelementen zur Verwendung beim Nachweis einer Ultraschallwelle aus den mehreren photoelektrischen Wandlerelementen der Photodetektoreinrichtung (16) auf der Grundlage der Beziehung auszuwählen, und zum Steuern einer Signalverarbeitungseinheit (81), um von dem ausgewählten Satz von photoelektrischen Wandlerelementen ausgegebene Signale als Detektorsignale in einem Empfangsmodus zu verwenden.
Ultraschallempfangsverfahren, umfassend folgende Schritte: (a) breitbandiges Licht wird in ein Ultraschall-Detektorelement eintreten gelassen, welches einen Ultraschall-Sensorteil enthält, der durch eine empfangene Ultraschallwelle ausgedehnt und zusammengezogen wird, um sein optisches Reflexionsvermögen ansprechend auf das Ausdehnen und Zusammenziehen zu ändern und dadurch eine Intensitätsmodulation des einfallenden Lichts vorzunehmen, spektrales Trennen des in der Intensität modulierten Lichts in einer Mehrzahl von Detektorbereichen des Ultraschall-Detektorelements, und Nachweisen des spektral separierten Lichts für jede von mehreren Wellenlängenkomponenten unter Verwendung einer Photodetektoreinrichtung (16) mit einer Mehrzahl von photoelektrischen Wandlerelementen, um eine Beziehung zwischen Wellenlängen und Reflexionsstärke des Lichts in einer Mehrzahl von Detektorbereichen eines Ultraschall-Detektorelements (20, 30, 40) zu gewinnen; (b) Auswählen eines Satzes von photoelektrischen Wandlerelementen zur Verwendung beim Nachweisen einer Ultraschallwelle aus den mehreren photoelektrischen Wandlerelementen der Detektoreinrichtung (16) auf der Grundlage der im Schritt (a) gewonnenen Beziehung; und (c) Eintreten-Lassen von breitbandigem Licht in das Ultraschall-Detektorelement (20, 30, 40), wenn die Ultraschallwelle empfangen wird, Ausgeben des von einer in dem Ultraschall-Detektorelement empfangenen Ultraschallwelle in der Intensität modulierten Lichts, in unterschiedliche Richtungen abhängig von deren Wellenlängen, und Nachweisen des Lichts für jede der mehreren Wellenlängenkomponenten unter Verwendung des Satzes photoelektrischer Wandlerelemente, die im Schritt (b) ausgewählt wurden, um Information über die Ultraschallwelle zu erhalten, die in den mehreren Detektorbereichen des Ultraschall-Detektorelements empfangen wurde.