JP5175289B2

JP5175289B2 - 光ファイバ音響検出器

Info

Publication number: JP5175289B2
Application number: JP2009531449A
Authority: JP
Inventors: メリケチ，ノーレダイン; オライソラ，アリスティデスマルカノ
Original assignee: デラウェアステイトユニバーシティファウンデーション，インコーポレイティド
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2027-10-04
Also published as: US8015878B2; JP2010506496A; WO2008045274A3; US20100139405A1; KR20090103861A; EP2082200A2; WO2008045274A2

Description

本発明は、光音響検出システムに関する。特に、本発明の装置は、先行技術の機械式および電気機械式音響検出システムの範囲をはるかに越えうる帯域幅にわたる高感度の音響検出を可能にしうるものである。

本出願は、参照によって本出願に組み込まれる、２００６年１０月５日出願の米国仮特許出願第６０／８４９，７１３号の優先権を主張する。

音波および振動の検出は、医学、土木工学、地理学、海洋学、音楽、セキュリティ、および救助活動を含むがこれらに制限されない多様な分野での応用例を有する。

本発明の例示実施形態は、これらおよびそれ以外の応用例のために使用しうる光音響検出システムを含む。

本発明の例示実施形態は、光音響検出システムであって、レーザービームを発生するレーザー発生源と、光ファイバと、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサと、光センサが生成した信号を処理する信号プロセッサとを含む光音響検出システムである。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する信号を生成するようになっている。

本発明の別の例示実施形態は、超音波システムであって、超音波信号を発生する超音波発生器と、試験試料が反射した超音波信号の部分を検出する複数の光超音波検出器と、光超音波検出器が生成した電気信号を処理する信号プロセッサとを含む超音波システムである。超音波発生器は超音波信号を試験試料に伝達するようになっている。各光超音波検出器は、レーザービームを発生するレーザー発生源と、光ファイバと、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサとを含む。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する電気信号を生成するようになっている。また、信号プロセッサは試験試料の超音波画像を生成する。

本発明のさらなる例示実施形態は、個人用医療監視装置であって、人物に音響的に結合されるようになった光音響検出器と、光音響検出器が生成した信号を処理し信号中の少なくとも１つの所定の信号特徴を識別する信号プロセッサと、信号プロセッサに電気的に結合された送信機または表示器のうち少なくとも１つとを含む個人用医療監視装置である。信号プロセッサが識別する各所定の信号特徴は医学的状態に関連する音の検出に対応する。光音響検出器は、レーザービームを発生するレーザー発生源と、光ファイバと、光ファイバに結合され人物からの音の光ファイバへの結合を増大する剛体基板と、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサとを含む。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する信号を生成するようになっている。所定の信号特徴が信号プロセッサによって識別されると、送信機は警告信号を生成し送信する。所定の信号特徴が信号プロセッサによって識別されると、表示器は警告表示を生成する。

本発明の追加の例示実施形態は、構造振動検出システムであって、光音響検出器と、光音響検出器が生成した信号を処理し信号中の少なくとも１つの信号特徴を識別する信号プロセッサと、信号プロセッサに電気的に結合された送信機または表示器のうち少なくとも１つとを含む構造振動検出システムである。各所定の信号特徴は特定の構造状態に関連する音の検出に対応する。光音響検出器は、レーザービームを発生するレーザー発生源と、構造物に音響的に結合されるようになった光ファイバと、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサとを含む。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する信号を生成するようになっている。所定の信号特徴が信号プロセッサによって識別されると、送信機は警告信号を生成し送信する。所定の信号特徴が信号プロセッサによって識別されると、表示器は警告表示を表示する。

本発明のまた別の例示実施形態はアクティブソナーシステムであって、ソナー信号を発生し送信するソナー信号発生器と、ソナー信号の反射部分を検出する光ソナー検出器と、光音響検出器が生成した電気信号を処理する信号プロセッサとを含むアクティブソナーシステムである。光ソナー検出器は、レーザービームを発生するレーザー発生源と、光ファイバと、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサとを含む。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する電気信号を生成するようになっている。また、信号プロセッサはソナー画像を生成する。

本発明のまたさらなる例示実施形態は、地震計であって、地面に音響的に結合されるようになった光振動検出器と、光振動検出器が生成した信号を処理する信号プロセッサとを含む地震計である。光振動検出器は、レーザービームを発生するレーザー発生源と、光ファイバと、光ファイバに結合され地面からの震動の光ファイバへの結合を増大する剛体基板と、光ファイバの出力結合ポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターンの検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサとを含む。光ファイバは、光弾性活性材料を含むコアと、レーザー発生源に光学的に結合されレーザービームを光ファイバのコアに結合する入力結合ポートと、コアを通じて伝播した後レーザー光が放出される出力結合ポートとを含む。光センサは、回折パターンの検出対象部分に対応する信号を生成するようになっている。

本発明は、添付の図面と共に読む時以下の詳細な説明からもっともよく理解される。慣例に従って、図面の様々な特徴は同じ縮尺で描かれているわけではないことを強調しておく。反対に、様々な特徴の寸法は、分かりやすくするため任意に拡大または縮小されている。図面には以下のものが含まれる。

本発明に係る例示的な光音響検出システムを示す側面図である。本発明に係る別の例示的な光音響検出システムを示す側面図である。本発明に係るさらなる例示的な光音響検出システムを示す側面図である。本発明に係る追加の例示的な光音響検出システムを示す側面図である。本発明に係るまた別の例示的な超音波システムを示す側面図である。本発明に係る例示的な超音波システムについての数学的導出において回折パターンを計算する際に使用する軸を例示する透視図である。

本発明の例示実施形態は、マイクロホン、聴診器、超音波検出器、個人用医療監視装置、構造振動センサ、侵入検出器、ソナー検出器、および地震計といった、非常に多くの光音響検出システムを含む。

また、本発明の例示実施形態は、これらの光音響検出システムの多くの応用例を含む。医療用の光音響検出システムは、心拍、血液循環、および胎児の音といった低出力の音響発生源を検出できる装置を含んでもよい。超音波システムならびに能動的および受動的なソナーシステムといった音響イメージングへの応用例も提案されている。

光ファイバはこれまで音響検出のために使用されてきた。様々な設計の光ファイバ検出器において、信号振幅、偏光の状態、周波数、および位相の変化が使用された。音波が誘発する光弾性位相変化は普通小さく、その結果、それを検出するためのこれらの従来のシステムでは特殊な設計が使用された。これらの装置のうちもっとも感度がよいのは、光波の位相シフト検出の原理に基づくものである。光位相検出は特に感度のよい実験的方法である。成功した設計では、干渉スキームおよびブラッグ格子回折が使用された。しかし、こうした検出器は特殊な記録ならびに比較的複雑な精緻化および処理を使用するものである。

本発明に係る例示的な光音響検出システムは、光ファイバ内の光弾性効果と、光ファイバの出力端で発生する回折効果との両者を使用する。材料を通じた圧力波（すなわち音場）の伝達によって材料の部分は交互に圧縮され伸長される。多くの光学材料では、この連続した伸長および圧縮の結果、材料の屈折率の変動が生じる。これは光弾性効果として知られている。光弾性効果のため、音場内にある光ファイバを通じて伝播する光は、音場に相関する位相シフトの変化を受ける。この効果は光伝播の際にファイバに沿って蓄積する。

光は光ファイバを通じる多数の経路をたどることがあるので、光ファイバの出力端に存在する光は、往々にしてスペックルとして知られる、複雑な回折パターンを呈する。回折場の振幅場分布は、光の位相に強く依存する。（光弾性効果を通じて）音場が誘発する位相シフトの変化はこの回折パターンを変化させる。こうした変化は音場に相関する。すなわち、音場（すなわち音）の特性は回折パターンの変化の中で検出および測定することができる。後述の数学的導出は、関連する物理的現象をより詳細に説明する。

図１に例示する、こうした変化を検出および測定するために使用される１つのアプローチは、回折パターンの小さな部分だけを光センサ１１０に伝達するアパーチャ１０８を使用する。回折パターンのこの小さな部分の強度の変化は光の位相の変化に比例し、比較的容易に検出および記録することができる。検出された信号をフィルタリングしてその直流成分を除去し、音響記録または再生システムに送る前に増幅してもよい。

本発明に係る例示的な装置を使用して１０^-7桁以上の屈折率の変化が検出されている。すなわち、この感度はより複雑な干渉計による方法と同様である。この装置の感度は、単一の光ファイバで、発声、心拍、血液循環、または胎児の音といった音響発生源が発生する小さな位相変化を検出するのに十分である。この検出器を動作させるための特殊な処置または特殊な構造は必要ない。本発明の例示実施形態はマルチモードまたはシングルモード何れかのファイバを使用してよい。

数学的導出において例示するように、本発明に係る光音響検出システムの感度は、音場にさらされる光ファイバの部分の長さの３乗に依存する。したがって、感度は非常に広い範囲に及ぶことがある。しかし、本発明に係る例示的なシステムの感度は音波の波長（または、ファイバの任意の寸法に対するこの波長の比）に大きく依存するものではない。すなわち、こうした例示的なシステムは超音波音および超低周波音の両者を検出してもよい。

図１は、音場１１４を検出するために使用しうる本発明に係る例示的な光音響検出システムを示す。音場１４は１つの方向だけから光ファイバ１０４に入射するように示されているが、これは例示のみを目的とするものであって、制限することを意図するものではない。

この例示的な光音響検出システムは、レーザービームを発生するレーザー発生源１００と、レーザービームを伝達する光ファイバ１０４と、光ファイバ１０４の出力カップリングポートから放出されたレーザー光が形成する回折パターン１０６の検出対象部分を検出するように位置合わせされた光センサ１１０と、光センサ１１０が生成した信号を処理する信号プロセッサ１１２とを含む。

レーザー発生源１００は任意の種類のレーザー発生源でよい。しかし、より小さなサイズであることが望ましい多くの応用例では、ダイオードまたはファイバレーザーが望ましいことがある。

光ファイバ１０４のコアは光弾性活性材料を含む。光ファイバで一般的に使用されているガラス、石英ガラス、およびプラスチックは、光ファイバ１０４のコアとして使用するのに十分な光弾性を呈する。光ファイバ１０４の長さはシステムの望ましい感度およびコア材料の光弾性係数に基づいて決定してもよい。実施例１に記載するように、長さ１ｍ、直径２００μｍの光ファイバを含む本発明に係る光マイクロホンが人間の声を検出するのに十分な感度を有することを本発明者は実験的に示した。図１は直線状に配置した光ファイバ１０４を例示しているが、望ましくない損失を生じるほど鋭角に曲げない限り、さらに長いファイバをコイルまたは他の経路を取って巻き付けて光音響検出装置の大きさを縮小してもよいことに注意されたい。

光ファイバ１０４の入力ポートは、レーザービームを光ファイバコアに結合するものであって、光ファイバ１０４の一端にレーザービームの焦点を合わせるレンズ１０２のような光学装置を含んでもよい。代替的には、光ファイバ１０４はレーザー発生源１００の出力ポートに突き合わせてもよい。レーザー発生源１００がファイバレーザーである場合、光ファイバ１０４はレーザー発生源１００と一体的に形成してもよく、またこれらの要素は、標準的な技術を使用してスプライスまたは他のやり方で結合した２つの別個のファイバでもよい。一体構成の場合、光ファイバ１０４の入力ポートは、ファイバレーザーの回折格子に隣接する一体的なファイバの一部である。

図１に示すように、光ファイバの出力結合ポートは光ファイバ１０４のコアの劈開した出力端だけでもよい。しかし、出力結合ポートは、検出対象の回折パターン１０６の部分の方向変更および／またはこの部分の分散の制御のための（ミラー、プリズム、および／またはレンズといった）他の光学素子を含んでもよい。

本発明の例示実施形態では、図１に示すように、回折パターンの検出対象部分に対応する信号を発生するようになった単一の光検出器でもよい。光検出器３０２に入射する回折パターンの部分を制限する独立したアパーチャ１０８を使用してもよい。代替的には、図３に例示するように、回折パターンの不要部分をマスクする光検出器３０２と一体化したアパーチャを使用してもよい。アパーチャ１０８の穴は回折パターン１０６の中心軸からずれているのが図示されていることに注意されたい。この位置は例示的なものに過ぎず制限することを意図するものではない。

光センサは望ましくは、回折パターンの検出対象部分のパワーを検出し、回折パターンの検出対象部分のパワーに比例する振幅を持つ信号を発生してもよい。信号振幅に加えて、信号プロセッサ１１２はこの信号を処理して信号振幅のスペクトル成分を決定してもよい。信号プロセッサ１１２は何らかの標準的なフィルタリングおよび／またはノイズ低減処置を実行してもよい。一部の例示的な応用例では、信号プロセッサ１１２をさらに使用して、特定の音（単数または複数）または振動（単数または複数）の検出に対応する信号中の１つ以上の所定の信号特徴を識別してもよい。こうした音（単数または複数）または振動（単数または複数）は、特定の状況を表示または予測するものであってもよい。例えば、本発明に係る例示的な個人用医療監視装置の信号プロセッサは、頻脈を表示する信号中の特徴を識別するようになっていてもよい。こうした信号特徴は信号中の振幅パターンおよび／またはスペクトルパターンに含まれることがあると考えられる。

信号プロセッサ１１２は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、望ましい信号処理を実行するようにプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、専用回路、および／または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）といった様々な構成要素を含んでもよい。

図２は、種々の代替的な特徴を含む、本発明に係る別の例示的な光音響検出システムを例示する。この例示実施形態では、光ファイバ１０４は共鳴室２００内に設置されている。共鳴室２００のような共鳴構造を使用して、音波の特定の周波数および／または帯域に対する例示的な光音響検出システムの感度を選択的に増大してもよい。共鳴室２００については図２に示す矩形の箱よりも複雑な形状を使用してもよい。共鳴室２００には、その望ましいスペクトル特徴に応じて、様々な気体、液体、または固体を充填してもよい。

また、図２の例示実施形態は音響ホーン２０２を含むが、これはその口から光ファイバに入射する音響振動、すなわち、図２の例示では、紙面の中央上に伝播する音波の結合を選択的に増大する様に配置されている。

さらに、図２の例示実施形態は、代替的な光センサ構造を含む。この代替的な例示光センサ構造では、光ファイバ１０４の出力結合ポートから放出されたレーザー光は、表面２０４上に回折パターン１０６が形成されるようにその表面に入射する。光検出器を表面２０４のある範囲に光学的に結合して、その上に形成された回折パターンの一部を検出してもよい。表面２０４が半透明である場合、この光結合は、図２に示すように前面からでもよく、また背面からでもよい。

しかし、図２の例示実施形態は、図１に例示した単一の光検出器の代わりにデジタルカメラ２０６を含むことに注意されたい。すなわち、この例示実施形態では、光センサは複数の光検出器ピクセルを含む。こうした各光検出器ピクセルの焦点を表面２０４の様々な範囲に合わせて、回折パターンの様々な下位部分のパワーを検出してもよい。デジタルカメラ２０６が発生する信号は、光検出器ピクセルに対応する複数の下位信号を含む。各下位信号の振幅は望ましくは、回折パターンの対応する下位部分のパワーに比例する。

信号プロセッサ１１２は、様々なピクセルからの下位信号を個別に処理してもよい。代替的には、信号プロセッサ１１２は、様々な下位信号間の比較処理を実行してもよい。例えば、信号プロセッサ１１２は、２つの下位信号間の振幅差を決定した後、この振幅差を処理して、場合によっては振幅差のスペクトル成分を決定してもよい。

図３は、本発明のさらなる例示実施形態を示す。可能な応用例の中でも、図３に示す例示的な光音響検出システムは、個人用医療監視装置または構造振動検出システムとして使用するのに望ましいものとなりうる。本発明に係る構造振動検出システムが監視可能な構造物の例は、橋梁、建築物、車両、レール、およびパイプラインを含む。

この例示実施形態では、レーザー発生源１００は、光ファイバ１０４の入力結合ポートに直接突き合わされたものとして例示されている。光ファイバ１０４は、螺旋パターンをなして要素３００上に設置されている。要素３００は、光ファイバ１０４に結合された可撓性メンブレンであって、該可撓性メンブレンに入射する音響信号の光ファイバへの結合を増大するものでもよい。このように使用される場合、可撓性メンブレンは単に広い範囲からの音響エネルギーを光ファイバ１０４に結合するだけでもよい。さらに、可撓性メンブレンは、ある音響周波数および／または帯域の光ファイバ１０４への結合を選択的に増大する共振構造物として機能してもよい。

代替的には、要素３００は、光ファイバ１０４への振動の結合を増大する、光ファイバに結合された剛体基板でもよい。可撓性メンブレンの場合と同様に、剛体基板は、音響エネルギーの結合を総合的に増大するのに加えて、共振構造物として機能してもよい。また、剛体基板は望ましくは、例示的な光音響検出システムに機械的安定性を提供するものでもよい。要素３００が剛体基板である場合、光検出器３０２は、図３に示すように分離してではなく、この要素上に設置してもよいことに注意されたい。さらに、剛体基板を含むことは、聴診器、構造振動検出システム、超音波検出器、および地震計といった、例示的な光音響検出システムの主要な目的が固体中の振動の検出である応用例の場合望ましいものとなりうることに注意されたい。

図３の例示的な光音響検出システムが個人用医療監視装置として利用される場合、要素３００を監視対象の人物に結合するのが望ましいことがある。同様に、図３の例示的な光音響検出システムが構造振動検出システムとして利用される場合、要素３００を監視対象の構造物に結合するのが望ましいことがある。

また、図３の例示実施形態は、信号プロセッサ１１２に電気的に結合される送信機３０４および表示器３０６を含む。個人用医療監視装置および構造振動検出システムの両者の場合、信号プロセッサ１１２が所定の信号特徴を識別したことを警告するため送信機３０４および表示器３０６の一方または両方を含むのが望ましいことがある。信号プロセッサ１１２による識別が望ましい信号特徴の例は、個人用医療監視装置の場合、心臓不整脈、頻脈、心停止、または無呼吸に対応する信号特徴である。

信号プロセッサ１１２が所定の信号特徴を識別した時、送信機３０４は警告信号を生成して、遠隔位置に送信してもよい。信号プロセッサ１１２が所定の信号特徴を識別した時、表示器３０６は警告表示を出してもよい。この警告表示は種々の形態のうち何れか１つの形態を取ってもよい。例えば、図３に示すように、警告表示は連続点灯または点滅する照明でもよい。代替的には、警告表示は、可視警告メッセージ、警報、または可聴警告メッセージでもよい。

図４は、本発明に係る別の例示的な光音響検出システムを示す。本発明のこの例示実施形態は、聴診器、構造振動検出システム、超音波検出器、および地震計といった、例示的な光音響検出システムの主要な目的が固体中の振動の検出である応用例で特に有用なものになりうる。

この例示実施形態では、光ファイバ１０４は剛体棒４００の周囲に巻き付けられており、棒４００は望ましくは物体４０２に接触させて、周囲気体（または液体）中の音波ではなく、物体４０２内を伝播する振動４０４を優先的に検出するようにしてもよい。地震計の場合、物体４０２は望ましくは岩盤であり、構造振動検出システムの場合、物体４０２は望ましくは監視対象の構造物である。

図４では、剛体棒４００は円筒形のものとして例示されている。しかしこれは例示的なものに過ぎず制限することを意図するものではない。また、音響エネルギーの光ファイバ１０４への結合を増大することに加えて、剛体棒４００は、その寸法および剛性に応じて共振構造物として機能してもよいことに注意されたい。

図５は、本発明に係る例示的な超音波システム５００を示す。この例示的な超音波システムは、超音波信号５１２を発生する超音波発生器５０２と、部分５０８が反射した超音波信号５１４の部分を検出する複数の光超音波検出器５０４と、光超音波検出器５０４が生成した電気信号を処理して試験試料５０６の超音波画像を生成する信号プロセッサ１１２とを含む。試験試料５０６を出入りする超音波の結合は、ジェル５１０によって改善してもよい。

光超音波検出器５０４は、これまで説明した例示的な光音響検出システムのうち何れかのものを使用して設計してもよい。上記のように、図３および図４の例示実施形態を参照すると、剛体基板および／または剛体棒を使用して、光ファイバと試験試料５０６との間の音響結合を優先的に増大するのが望ましいことがある。また、超音波発生器５０２が生成する超音波信号のピーク周波数に実質上等しい共振周波数を有する共振構造物を光超音波検出器５０４に含むのが望ましいこともある。

信号プロセッサ１１２が生成する試験試料５０６の超音波画像は望ましくは、部分５０８のような、試験試料５０６の大部分と異なる音響特性を有する試験試料５０６の部分の位置を示す。この超音波画像の生成は、超音波イメージングの技術分野で使用される任意の標準アルゴリズムを使用して実行してもよい。この超音波画像は格納、表示、および／または印刷してもよい。

図５の例示的な超音波システムと同様の本発明の別の例示実施形態は、アクティブソナーシステムである。例示的なアクティブソナーシステムは、ソナー信号を発生し送信するソナー信号発生器と、ソナー信号の反射部分を検出する１つ以上の光ソナー検出器と、複数の光音響検出器が発生した電気信号を処理してソナー画像を生成する信号プロセッサとを含む。

本発明は光音響検出システムの多数の例示実施形態を含んでいる。本発明は本出願で特定の実施形態を参照して例示され説明されているが、これは図示された細部に制限することを意図するものではない。むしろ、特許請求の範囲の均等物の範囲内で本発明から逸脱することなく細部に様々な修正を行ってもよい。特に、様々な特定の例示実施形態の多くの特徴を併用して、やはり本発明を実施するさらなる例示的な光音響検出システムを形成してもよいことを当業者は理解できるだろう。
数学的導出

本発明の例示実施形態での高感度音響検出のための光回折を理解するため、ステップインデックス型光ファイバを通る単一光波の伝播を以下詳細に検討する。

ファイバは、周波数ω_a、波数ベクトルｋ_a、および音響歪み振幅Ｓ₀の音響軸方向の単色波にさらされる。図６は光ファイバ音響変換器を例示する。この音場の作用下での光ファイバを構成する材料の屈折率の変化は次式であるが、

ここでｐは光弾性係数でありｎは屈折率である。音響歪み振幅は次の関係式を通じて音波Ｉａに関連するが、

ここでρは試料密度であり、Ｖ_aは媒体中の音波の伝播速度である。平均的な人間の機械的活動の強度は４０ｄＢの範囲であり、これは１０^-8Ｗ／ｍ²に相当する。ガラスについて、ｐ＝０．３、ρ＝２５００ｋｇ／ｍ³およびｎ＝１．５という値を考慮すると、１０^-11台の光弾性効果による音波が誘発する屈折率の変化Δｎが得られる。

ファイバを通じて距離Ｌを伝播する光波に対して音波が誘発する位相シフトは次式であるが、

ここでφ₀＝πＬｐｎ³Ｓ₀／λであり、λは光波長である。１０ｍ長のファイバとλ＝６３２ｎｍとを考慮すると、人間の声は原則として２×１０^-3ラジアンの位相シフトを発生しうると推定される。こうした小さな位相シフトは、周知のＺスキャン技術の概念を使用して容易に検出できる。この概念は、ファーフィールドに位置する小さなアパーチャを通じた光伝達の小さな変化を検出するというものである。これに関しては、光ファイバの端部で回折した光の場振幅を計算する必要がある。検出平面はこのファイバ端部から距離Ｚ₀の位置にある。図６は、提案される回折実験のスキームを示す。ファイバを通じて距離Ｌを伝播した後、光ビームはファイバ端部で回折する。検出平面の点ｒ’（図１参照）での回折場振幅は次式の回折積分を使用して計算できるが、

ここでｄＳはファイバ端部でのファイバ要素の表面であり、Ｕ₀（ｒ，ｔ）は光ファイバの出口での光場振幅であり、ｋは光波数であり、Ｒはファイバの端部の点（ｘ，ｙ，０）と観測点（ｘ’，ｙ’，ｚ’）との間のベクトル距離である。

場振幅Ｕ₀がファイバ内でほぼ一定であり、ファイバの半径がＲと比較して小さく、場振幅がファイバの端部からの距離Ｚ₀で計算されると想定すると、式（４）は次式のように変形される。

φ₀＜＜１であることを考慮し、積分中の指数関数を分解し、かつ普通ｋ_aｒ₀＜＜１であることを考慮すると、次式となるが、

ここでＣ（Ｚ₀）＝πｉｋＵ₀ｒ₀ ²（ｅｘｐ（−ｉｋＺ₀）／Ｚ₀）である。検出平面の任意の他の点での場振幅の計算は同様である。しかし、この単純な公式によって表すことはできない。そして、最後に、位相中の同じ１次近似で計算される検出対象強度は次式である。

点Ｚ₀に位置する小さなアパーチャを通じて検出された光伝達は、音場がない場合の光強度に比例する直流成分と、入射音場の時間依存性を再現する交流成分とを有する。

音波は、ファイバを通じて伝播する光波の位相変化を誘発する。こうした変化はファイバの全長を通じて蓄積する。光がファイバの端部で回折する時、合計位相変化はある観測点での光場強度の変化を発生する。この点で、光ファイバは位相検出器として動作している。この特性は、提案される検出器を、通常、ファイバを通じて伝播する光場の振幅変化を測定する以前のシステムと区別するものである。以下、位相検出器として使用する時のファイバの感度が人間の声の音場を検出するのに十分大きいことを示す。

本発明に係る光音響検出システムの１つの実験的実施形態の結果である。

平均パワー１ｍＷのＣＷＨｅ−Ｎｅ（６３２ｎｍ）またはダイオードレーザー（６４５ｎｍ）からの光は、焦点距離１０−ｃｍのレンズと光カプラを使用して光ファイバに送られる。比較的大きな直径（０．２〜１ｍｍ）のガラスまたはプラスチックの数メートル（２〜５０ｍ）のマルチモードファイバが実際の音響変換器として使用される。ファイバは専用設計の構造物または支持物の上に延長される。ファイバの出口端部で回折する光はアパーチャの方向に向けられその後ダイオード検出器に向けられる。検出器の後、信号は電流プリアンプによって増幅され、音響再生システムまたはオシロスコープに送る前に最終増幅段ＶＡに送られる。音場を発生するため、音響再生システムに接続された信号発生器が使用される。

提案される検出器の感度は人間の声の検出を可能にするのに十分な大きさである。人間の声は、２００μｍの直径を有する３０ｍのマルチモードグラスファイバを使用して検出された。もっと短いファイバ（１ｍ長）でも同様に人間の声の音場を検出できることが判明したが、予想される通り感度は低下した。

Claims

光音響検出システムであって、前記光音響検出システムが、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
音響信号を受信するよう構成された光ファイバであって、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートであって、前記放出されたレーザー光を回折するよう構成された出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出レーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記音響信号に特有なものになるように前記音響信号に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する信号を生成するようになった光センサと、
前記光センサが発生した前記信号を処理する信号プロセッサとを備える光音響検出システム。
前記光ファイバが約１ｍより大きい長さを有する、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光ファイバの前記コアがシングルモードコアを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光ファイバの前記コアがマルチモードコアを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光ファイバの前記入力結合ポートが、前記光ファイバの前記コアの入力端に前記レーザービームの焦点を合わせる収束光学装置を備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光ファイバの前記出力結合ポートが、前記光ファイバの前記コアの劈開された出力端、ミラー、プリズム、またはレンズのうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光センサが、
光検出器と、
前記回折パターンの前記検出対象部分だけが前記光検出器に入射するように前記光ファイバの前記出力結合ポートから放出される前記レーザー光に位置合わせされたアパーチャとを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光センサが、
前記回折パターンが表面上に形成されるように前記光ファイバの前記出力結合ポートから放出される前記レーザー光に位置合わせされた前記表面と、
前記回折パターンの前記検出対象部分が形成された前記表面のある範囲に光学的に結合された光検出器とを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分のパワーを検出するように構成されており、
前記光センサが生成する前記信号の振幅が前記回折パターンの前記検出対象部分の前記パワーに比例し、
前記信号プロセッサが、前記信号を処理して前記振幅のスペクトル成分を決定するように構成されている、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光学センサが複数の光検出器ピクセルを備え、
各光検出器ピクセルが前記回折パターンの前記検出対象部分の下位部分のパワーを検出するように構成されており、
前記光センサが生成する前記信号が前記複数の光検出器ピクセルに対応する複数の下位信号を備え、各下位信号が、前記回折パターンの前記検出対象部分の対応する前記下位部分の前記パワーに比例する振幅を有する、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記信号プロセッサが、前記信号を処理して、
２つの前記下位信号の間の振幅差を決定し、
前記振幅差のスペクトル成分を決定するように構成されている、請求項１０に記載の光音響検出システム。
前記信号プロセッサが、前記信号を処理して、前記信号中の少なくとも１つの所定の信号特徴を識別するように構成されており、
各所定の信号特徴が異なる音または振動の検出に対応する、請求項１に記載の光音響検出システム。
さらに、
前記光ファイバに結合され可撓性メンブレンに入射する音響振動の前記光ファイバへの結合を増大する前記可撓性メンブレンか、
前記光ファイバに結合され振動の前記光ファイバへの結合を増大する剛体基板か、
剛体棒の周囲に巻き付けられた前記光ファイバの部分を有し、前記剛体棒からの振動の前記光ファイバへの結合を増大する前記剛体棒か、
音響ホーンの口に入射する音響振動の前記光ファイバへの結合を増大するように配置された前記音響ホーンか、または
前記光ファイバに結合され共振構造物の共振周波数の音響振動の前記光ファイバへの結合を増大する前記共振構造物かのうち少なくとも１つを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
前記光音響検出システムが、
マイクロホンか、
聴診器か、
超音波検出器か、
個人用医療監視装置か、
構造振動センサか、
侵入検出器か、
ソナー検出器か、または
地震計かのうち１つを備える、請求項１に記載の光音響検出システム。
超音波システムであって、前記超音波システムが、
超音波信号を発生する超音波発生器であって、前記超音波発生器が、超音波信号を試験試料に伝達するようになった超音波発生器と、
前記試験試料が反射する前記超音波信号の部分を検出する複数の光超音波検出器であって、各光超音波検出器が、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
前記試験試料によって反射された超音波信号を受信するよう構成された光ファイバであって、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートであって、前記放出されたレーザー光を回折するよう構成された出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出レーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記試験試料によって反射された超音波信号に特有なものになるように前記試験試料によって反射された超音波信号に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する電気信号を生成するようになった光センサとを備える複数の光超音波検出器と、
前記複数の光超音波検出器が生成する前記電気信号を処理し、前記試験試料の超音波画像を生成する信号プロセッサとを備える超音波システム。
各光センサが前記回折パターンの前記検出対象部分のパワーを検出するように構成されており、
前記光センサが生成する前記電気信号の振幅が前記回折パターンの前記検出対象部分のパワーに比例し、
前記信号プロセッサが、各電気信号を処理して前記電気信号の前記振幅のスペクトル成分を決定するように構成されている、請求項１５に記載の超音波システム。
各光超音波検出器がさらに、
前記光ファイバに結合され前記試験試料が反射する前記超音波信号の部分の前記光ファイバへの結合を増大する剛体基板か、
剛体棒の周囲に巻き付けられた前記光ファイバの部分を有し、前記剛体棒からの前記試験試料が反射する前記超音波信号の前記部分の前記光ファイバへの結合を増大する前記剛体棒か、または
前記超音波発生器が発生する前記超音波信号のピーク周波数に実質上等しい共振周波数を有する共振構造物であって、前記共振構造物が、前記光ファイバに結合され前記試験試料が反射する前記超音波信号の前記部分の前記光ファイバへの結合を増大する共振構造物かのうち少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の超音波システム。
個人用医療監視装置であって、前記個人用医療監視装置が、
人物に音響的に結合されるようになった光音響検出器であって、前記光音響検出器が、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
前記人物からの音を受信するよう構成された光ファイバであって、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートであって、前記放出されたレーザー光を回折するよう構成された出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記光ファイバに結合され前記人物からの前記音の前記光ファイバへの結合を増大する剛体基板と、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出レーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記音に特有なものになるように前記音に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する信号を生成するようになった光センサとを含む光音響検出器と、
前記光音響検出器が生成した前記信号を処理し、前記信号中の少なくとも１つの所定の信号特徴を識別する信号プロセッサであって、各所定の信号特徴が医学的状態に関連する音の検出に対応する信号プロセッサと、
前記信号プロセッサに電気的に結合され前記少なくとも１つの所定の信号特徴のうち１つが前記信号プロセッサによって識別されると警告信号を生成し送信する送信機か、または
前記信号プロセッサに電気的に結合され前記少なくとも１つの所定の信号特徴のうち１つが前記信号プロセッサによって識別されると警告表示を生成する表示器か
のうち少なくとも１つとを備える個人用医療監視装置。
前記医学的状態が、心臓不整脈、頻脈、心停止、または無呼吸のうち１つを備える、請求項１８に記載の個人用医療監視装置。
前記警告表示が、連続点灯照明か、点滅照明か、可視警告メッセージか、警報か、または可聴警告メッセージかのうち少なくとも１つを備える、請求項１８に記載の個人用医療監視装置。
構造振動検出システムであって、前記構造振動検出システムが、
光音響検出器であって、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
構造物に音響的に結合されるようになっており、前記構造物からの音を受信するよう構成された光ファイバであって、前記光ファイバが、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートであって、前記放出されたレーザー光を回折するよう構成された出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出レーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記音に特有なものになるように前記音に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する信号を生成するようになった光センサとを含む光音響検出器と、
前記光音響検出器が生成した前記信号を処理し、前記信号中の少なくとも１つの所定の信号特徴を識別する信号プロセッサであって、各所定の信号特徴が特定の構造状態に関連する音の検出に対応する信号プロセッサと、
前記信号プロセッサに電気的に結合され前記少なくとも１つの所定の信号特徴のうち１つが前記信号プロセッサによって識別されると警告信号を生成し送信する送信機か、または
前記信号プロセッサに電気的に結合され前記少なくとも１つの所定の信号特徴のうち１つが前記信号プロセッサによって識別されると警告表示を表示する表示器か
のうち少なくとも１つとを備える構造振動検出システム。
前記構造物が、橋梁か、建築物か、車両か、レールか、またはパイプラインかのうち１つを備える、請求項２１に記載の構造振動検出システム。
前記警告表示が、連続点灯照明か、点滅照明か、可視警告メッセージか、警報か、または可聴警告メッセージかのうち少なくとも１つを備える、請求項２１に記載の構造振動検出システム。
アクティブソナーシステムであって、前記アクティブソナーシステムが、
ソナー信号を発生し送信するソナー信号発生器と、
ソナー信号の反射部分を検出する光ソナー検出器であって、各光ソナー検出器が、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
前記ソナー信号の反射部分を受信するよう構成された光ファイバであって、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出レーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記ソナー信号の反射部分に特有なものになるように前記ソナー信号の反射部分に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する電気信号を生成するようになった光センサとを含む光ソナー検出器と、
複数の光音響検出器が生成した前記電気信号を処理しソナー画像を生成する信号プロセッサとを備えるアクティブソナーシステム。
前記光センサが生成する前記電気信号の振幅が前記回折パターンの前記検出対象部分のパワーに比例し、
前記信号プロセッサが各伝記信号を処理して前記電気信号の前記振幅のスペクトル成分を決定するようになっている、請求項２４に記載のアクティブソナーシステム。
地震計であって、前記地震計が、
地面に音響的に結合されるようになった光振動検出器であって、
レーザービームを発生するレーザー発生源と、
前記地面からの振動を受信するよう構成された光ファイバであって、
光弾性活性材料を備えるコアと、
前記レーザー発生源に光学的に結合され前記レーザービームを前記光ファイバの前記コアに結合する入力結合ポートと、
前記コアを通じて伝播したレーザー光を放出する出力結合ポートであって、前記放出されたレーザー光を回折するよう構成された出力結合ポートとを備える光ファイバと、
前記光ファイバに結合され前記地面からの前記震動の前記光ファイバへの結合を増大する剛体基板と、
前記出力結合ポートから間隔を置いて離れた検出面上にあり、前記光ファイバの前記出力結合ポートから回折された前記放出されたレーザー光が形成する回折パターンの部分を検出するように位置合わせされた光センサであって、前記光ファイバコアの光弾性活性材料は、前記回折パターンが前記振動に特有なものになるように前記振動に応答して前記伝播するレーザー光を修正するようになっており、前記光センサが、前記回折パターンの前記検出対象部分に対応する信号を生成するようになった光センサとを含む光振動検出器と、
前記光振動検出器が生成した前記信号を処理する信号プロセッサとを備える地震計。