OPTISCHES HYDROPHON FÜR EIN AUSGEDEHNTES STOSSWELLENFELD MIT MEHREREN EMPFÄNGERNOPTICAL HYDROPHONE FOR AN EXTENDED SHOCK WAVE FIELD WITH SEVERAL RECEIVERS
Optisches Hydrophon zum Messen der Schalldruckverteilung in einem fluiden Medium 5 Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Hydrophon zum Messen der Schalldruckverteilung in einem fluiden Medium, insbesondere zum Vermessen eines Ultraschall- Stoßwellenfeldes . 0 Bei akustischen Stoßwellen, wie sie beispielsweise in der Li- thotripsie 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 ho- 5 hen mechanischen Stabilität. Außerdem sollten diese Sensoren weitgehend miniaturisiert sein, um die Schalldruckverteilung in einem Stoßwellenfeld mit möglichst hoher örtlicher Auflösung vermessen zu können. 0 Aus der EP 0 354 229 Bl oder der DE 38 02 024 AI sowie aus J. Staudenraus, . 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 5 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 0 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 wesentlich über- 5 schreitet. Das freie, die Reflektivität der Grenzfläche Flüssigkeit / Lichtwellenleiter bestimmende Ende des Lichtwellenleiters wird durch eine kugelförmige oder ebene, senkrecht
zur Lichtwellenleiterachse 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.Optical hydrophone for measuring the sound pressure distribution in a fluid medium 5 The invention relates to an optical hydrophone for measuring the sound pressure distribution in a fluid medium, in particular for measuring an ultrasonic shock wave field. 0 With acoustic shock waves, such as those used in litotripsy, high pressures of up to about 10 8 Pa occur with rise times in the range of a few ns. The measurement of such high pressures requires sensors with high mechanical stability. In addition, these sensors should be largely miniaturized in order to be able to measure the sound pressure distribution in a shock wave field with the highest possible local resolution. 0 From EP 0 354 229 B1 or DE 38 02 024 AI and from J. Staudenraus,. Eisenmenger, "Fiber-optic probe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water", Ultrasonics 1993, Vol.31, No.4, page 267-273, measuring arrangements are known in each case for measuring the spatial and temporal distribution the pressure of ultrasonic shock waves in a liquid, the light reflected at the free end of an optical fiber is used. This known fiber-optic measuring arrangement takes advantage of the fact that the high pressure amplitude produces a change in density and thus a change in the refractive index of the liquid in the immediate vicinity of the free end, which modulates the proportion of the light reflected back into the optical waveguide at the interface. The optical waveguides used for the measurement have a diameter that does not significantly exceed 5 mm. The free end of the optical waveguide, which determines the reflectivity of the liquid / optical waveguide interface, becomes vertical by means of a spherical or plane end surface standing to the optical fiber axis. The small size of this end surface creates a high spatial resolution, low directional sensitivity and high bandwidth required for the measurement of focused shock waves.
Aus der DE 39 32 711 AI 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.From DE 39 32 711 AI a fiber optic shock wave sensor is known in which the free end of the optical waveguide is designed as a body of revolution, the envelope of which can be described by a third degree polynomial. This measure is also intended to improve both the sensitivity and the spatial resolution when using optical fibers with a larger diameter.
Aus Koch, Gh., "Coated fiber-optic hydrophone for ltrasonic easurement", 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.From Koch, Gh., "Coated fiber-optic hydrophone for ultrasonic easurement", Ultrasonics 34, 1996, pages 687-689, a fiber-optic hydrophone is known which not only changes the refractive index of the surrounding fluid but also changes the properties of an the fiber tip uses interferometers formed by dielectric layers in order to increase the sensitivity of the measuring arrangement.
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 kön- nen. Darüber hinaus ist ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich, um die freien Enden der Lichtwellenleiter reproduzierbar mit der jeweils erforderlichen Form herzustellen.A disadvantage of the known fiber-optic hydrophones, however, is that they are very sensitive to breakage and can be destroyed after only 10 to 100 shock waves at about 50 MPa. In addition, a high manufacturing outlay is required in order to reproducibly produce the free ends of the optical waveguides with the shape required in each case.
Insbesondere bei in der medizinischen Therapie verwendetenEspecially when used in medical therapy
Lithotriptoren muss die laterale Intensitätsverteilung der Stoßwelle im Bereich des Fokus mit einer örtlichen Auflösung bekannt sein, die kleiner als 1mm ist. Hierzu ist es notwendig, den zeitlichen Verlauf der Intensität des Stosswellen- pulses an einer Vielzahl von Messstellen zu messen. Aus den gemessenen Intensitäten wird dann die Gesamtintensität bzw. die Gesamtenergie des Stoßwellenpulses im Fokus ermittelt.
Entsprechend der Anzahl der Messstellen, in der Regel etwa 20, muss eine Anzahl von zeitlich aufeinander folgenden Messschritten durchgeführt werden, wobei bei jedem Messschritt das Hydrophon einer Stoßwelle ausgesetzt ist. Bei einer solchen Messung besteht demnach die Gefahr, dass das Hydrophon während der Messung entweder zerstört oder aber zumindest so beschädigt wird, dass sich seine Empfindlichkeit in einem Ausmaß verändert, die außerhalb der erlaubten Toleranzbreite liegen, die im Anwendungsbeispiel 10% beträgt.Lithotriptors must know the lateral intensity distribution of the shock wave in the area of the focus with a local resolution that is less than 1 mm. For this it is necessary to measure the time course of the intensity of the shock wave pulse at a large number of measuring points. The total intensity or the total energy of the shock wave pulse in the focus is then determined from the measured intensities. Corresponding to the number of measuring points, generally about 20, a number of successive measuring steps must be carried out, with the hydrophone being exposed to a shock wave in each measuring step. With such a measurement, there is therefore the risk that the hydrophone will either be destroyed during the measurement or at least so damaged that its sensitivity changes to an extent that is outside the permitted tolerance range, which is 10% in the application example.
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 räum- liches Auflösungsvermögen vergleichbar ist mit dem räumlichen Auflösungsvermögen, wie es durch die im Stand der Technik bekannten faseroptischen Hydrophone erzielt werden kann.The invention is based on the object of specifying an optical hydrophone for measuring the sound pressure distribution in a fluid medium, which is easy to manufacture in terms of production technology, has a long service life and whose spatial resolution is comparable to the spatial resolution as described by the prior art fiber optic hydrophones known in the art can be achieved.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit ei- nem optischen Hydrophon mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein solches optisches Hydrophon umfasst zumindest eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht und zum Beleuchten einer Grenzfläche zwischen einem optisch transparenten Körper und dem fluiden Medium, wobei der optisch transparente Körper ei- nen Brechungsindex aufweist, dessen Abhängigkeit vom Schalldruck vernachlässigbar ist, sowie eine Mehrzahl von Lichtempfängern zum Messen der Intensität des an der Grenzfläche in den Lichtempfänger jeweils reflektierten Lichtes als Maß für den Schalldruck.The stated object is achieved according to the invention with an optical hydrophone with the features of claim 1. Such an optical hydrophone comprises at least one light source for generating light and for illuminating an interface between an optically transparent body and the fluid medium, the optically transparent body has a refractive index, the dependence of which on the sound pressure is negligible, and a plurality of light receivers for measuring the intensity of the light reflected at the interface in the light receiver as a measure of the sound pressure.
Durch diese Maßnahme kann das Stoßwellenfeld an mehreren Orten gleichzeitig gemessen werden, so dass mit einer einzigen Messung eine Bestimmung der Schalldruckverteilung in einem größeren Flächenbereich an einer Vielzahl von Messpunkten mit hoher örtliche Auflösung ermöglicht ist. Dadurch wird die Lebensdauer des optischen Hydrophons erhöht, da die Anzahl der zum Vermessen des Stoßwellenfeldes erforderlichen, das Hydro-
phon mechanisch belastenden Stoßwellenpulse entsprechend dem Flächenbereich verringert ist. Außerdem ist die Suche nach der Lage des Fokus vereinfacht .This measure allows the shock wave field to be measured at several locations simultaneously, so that the sound pressure distribution can be determined in a larger area at a large number of measuring points with high local resolution with a single measurement. This increases the service life of the optical hydrophone, since the number of hydrophones required to measure the shock wave field phon mechanically stressing shock wave pulses is reduced according to the area. The search for the location of the focus is also simplified.
Die Erfindung beruht außerdem auf der Überlegung, dass es zum Erzielen einer hohen örtlichen Auflösung entweder nur auf die Größe des beleuchteten Gebiets oder auf die Größe der vom jeweiligen Lichtempfänger erfassten Teilfläche des beleuchteten Gebietes ankommt. Um eine hohe örtliche Auflösung zu ermögli- chen, muss somit der transparente Körper nicht zwingend als Lichtleiter gestaltet sein, in dem das Licht durch Reflexion an den Wänden geführt ist. Vielmehr ist es ausreichend, durch entsprechende Strahlformung und -führung einen oder mehrere Lichtstrahlen zu erzeugen, die sich im transparenten Körper frei ausbreiten und im Bereich der Grenzfläche einen an den jeweiligen Bedarfszweck angepassten Strahlquerschnitt aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist deshalb der transparente Körper Abmessungen auf, die sehr viel größer als das beleuchtete Gebiet sind, so dass dieses um eine Größen- Ordnung kleiner sein kann als die zwischen dem Körper und dem fluiden Medium gebildete Grenzfläche. Dadurch kann der transparente Körper massiv ausgeführt werden, so dass er gegen Stosswellen, wie sie im Fokus eines Lithrotripters auftreten können, widerstandsfähiger ist. Außerdem kann die Grenzfläche problemlos bearbeitet werden, so dass eine hohe Reproduzierbarkeit mit geringem fertigungstechnischen Aufwand erreichbar ist.The invention is also based on the consideration that in order to achieve a high local resolution, only the size of the illuminated area or the size of the partial area of the illuminated area detected by the respective light receiver is important. In order to enable a high local resolution, the transparent body does not necessarily have to be designed as a light guide in which the light is guided by reflection on the walls. Rather, it is sufficient to generate one or more light beams by appropriate beam shaping and guidance, which spread freely in the transparent body and which have a beam cross section adapted to the respective need in the area of the interface. In an advantageous embodiment, the transparent body therefore has dimensions that are very much larger than the illuminated area, so that it can be an order of magnitude smaller than the interface formed between the body and the fluid medium. As a result, the transparent body can be made solid, so that it is more resistant to shock waves, such as may occur in the focus of a lithrotripter. In addition, the interface can be machined without any problems, so that a high level of reproducibility can be achieved with little manufacturing effort.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft das Licht unter einem Einfallswinkel auf die Grenzfläche, 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 Auftreff inkels 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 .In an advantageous embodiment of the invention, the light strikes the interface at an angle of incidence which is significantly smaller than the critical angle of total reflection and in particular is smaller than half the critical angle of total reflection. Due to the incidence with an angle of incidence which differs significantly from the critical angle of total reflection, the sensitivity to an arrangement with light incident close to the critical angle of total reflection decreases, but it is advantageous that the measuring arrangement is less sensitive against slight changes in the incidence, since the reflectivity for angles of incidence that are significantly smaller than the critical angle of the total reflection is almost independent of the angle of incidence. In addition, at such an angle of incidence and especially in the area of vertical incidence (angle of incidence 0 °) the reflectivity changes almost linearly with the refractive index of the fluid medium and thus also with the sound pressure, so that the reflected intensity is also approximately linear to the sound pressure.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gebiet auf seiner gesamten Fläche beleuchtet, d. h. an der Grenzfläche ist ein einziger zusammenhängender wenigstens annähernd homogen ausgeleuchteter Lichtfleck gebildet. In die- ser Ausführungsform ist nur eine einzige Lichtquelle erforderlich und der Aufbau ist entsprechend vereinfacht.In an advantageous embodiment of the invention, the area is illuminated over its entire area, i. H. a single, contiguous, at least approximately homogeneously illuminated light spot is formed at the interface. In this embodiment, only a single light source is required and the structure is correspondingly simplified.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Gebiet gleichzeitig auf einer Mehrzahl räumlich voneinander getrennter Teilflächen beleuchtet, so dass an der Grenzfläche eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Lichtflecken gebildet ist. Jeder Teilfläche ist ein Lichtempfänger zugeordnet, der zumindest einen Teil des von dieser Teilfläche reflektierten Lichtes empfängt. Werden die zu jeder Teilfläche gehörenden reflektierten Lichtstrahlen in Lichtwellenleitern geführt, ist eine hohe räumliche Auflösung mit Hilfe von ein- oder zweidimensionalen Lichtempfängerarrays möglich, ohne dass es hierzu einer besonderen geometrischen Anpassung der Lage und Größe des Lichtempfängerarrays an die Verteilung und Größe der Teilbereiche erforderlich ist.In an alternative embodiment, the area is illuminated simultaneously on a plurality of spatially separated partial areas, so that a large number of light spots arranged next to one another are formed at the interface. A light receiver is assigned to each partial area and receives at least part of the light reflected by this partial area. If the reflected light rays belonging to each partial area are guided in optical waveguides, a high spatial resolution is possible with the aid of one or two-dimensional light receiver arrays, without this requiring a special geometric adaptation of the position and size of the light receiver array to the distribution and size of the partial areas ,
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, den Körper ortsveränderbar relativ zum Weg des sich in ihm zur Grenzfläche ausbreitenden Lichtes anzuordnen, so dass der be- leuchtete 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.An advantageous embodiment provides for the body to be arranged such that it can be moved relative to the path of the light propagating in it to the interface, so that the illuminated surface area can be positioned at different locations on the interface depending on the position of the body. This can in the event of any damage the interface in the illuminated area of this area to be moved to another location. In the case of a cuboid body, this is done by moving parallel to the interface. The body can also have the shape of a polygon with flat flat sides lying opposite one another. In this case, the position of the illuminated surface area at an interface of the body can be varied by rotating the body about an axis of symmetry parallel to these flat sides.
Der optisch transparente Körper hat vorzugsweise eine Brechzahl, die möglichst nahe an der Brechzahl des fluiden Mediums liegt. Ist das fluide Medium Wasser (n = 1,33), so ist die Brechzahl nκ des Körpers vorzugsweise etwa n = 1,45 (Glas) oder kleiner. Dann ist die statische Reflektivität, d. h. die Reflektivität in Abwesenheit eines Ultraschallfeldes minimal und das Signal-Rauschverhältnis maximal.The optically transparent body preferably has a refractive index that is as close as possible to the refractive index of the fluid medium. If the fluid medium is water (n = 1.33), the refractive index n κ of the body is preferably approximately n = 1.45 (glass) or less. Then the static reflectivity, ie the reflectivity in the absence of an ultrasound field, is minimal and the signal-to-noise ratio is maximal.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Un- teransprüchen wiedergegeben.Further advantageous embodiments are given in the further subclaims.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:To further explain the invention, reference is made to the exemplary embodiments of the drawing. Show it:
Fig. 1 ein optisches Hydrophon gemäß der Erfindung in einem Prinzipbild, Fig. 2a, b jeweils eine vorteilhafte Gestalt des beleuchteten Gebiets, Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines optischen Hydrophons gemäß der Erfindung ebenfalls in einem Prinzipbild, Fig. 4a-c jeweils vorteilhafte Anordnungen der Teilflächen auf der Grenzfläche.1 shows an optical hydrophone according to the invention in a schematic diagram, FIGS. 2a, b each show an advantageous shape of the illuminated area, FIG. 3 shows an alternative embodiment of an optical hydrophone according to the invention also in a schematic diagram, FIGS. 4a-c each advantageous Arrangements of the subareas on the interface.
Gemäß Figur 1 umfasst das optische Hydrophon eine Lichtquelle 2 zum Erzeugen von Licht LS, im Ausführungsbeispiel eine Laserdiode, das in einen transparenten Körper 4, im Ausfüh-
rungsbeispiel ein aus Glas (im Ausführungsbeispiel Quarzglas mit einem Brechungsindex nκ = 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 wenigen mm bis 100 mm. Innerhalb des Körpers 4 breitet sich das gesendete Licht LS frei, d. h. ohne Reflexion an Wänden des Körpers 4 aus und beleuchtet unter einem von 0° abweichenden Einfallswinkel θ ein Gebiet 6 einer der Eintrittsfläche 7 gegenüberliegenden ebenen Wand- oder Grenzfläche 8 zu einem fluiden Medium 10. Dieser Einfallswinkel θ ist deutlich kleiner als der Grenzwinkel θg der Totalreflexion. 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, d. h. bei nκ = 1,45 und nM = 1,34 (Brechungsindex des außerhalb des Körpers 4 befindlichen fluiden Mediums 10, im vorliegenden Fall Wasser, für Licht der Wellenlänge 800 nm) und einem einem sich daraus ergebenden 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.According to FIG. 1, the optical hydrophone comprises a light source 2 for generating light LS, in the exemplary embodiment a laser diode which is embodied in a transparent body 4. Example, an approximately cubic block consisting of glass (in the exemplary embodiment quartz glass with a refractive index n κ = 1.45 at a wavelength of 800 nm) is coupled. Both the thickness and the lateral dimensions of the body 4 are in the range from a few mm to 100 mm. The transmitted light LS propagates freely within the body 4, ie without reflection on the walls of the body 4, and illuminates an area 6 of a plane wall or boundary surface 8 opposite the entry surface 7 to a fluid medium 10 at an angle of incidence θ deviating from 0 ° This angle of incidence θ is significantly smaller than the critical angle θ g of the total reflection. An angle of incidence θ, in which the dependence of the reflectivity on the angle of incidence θ is only weak, is significantly smaller than the critical angle θ g of total reflection in the sense of the invention. In practice, this is the case for angles of incidence θ which are in particular smaller than θ g / 2, preferably smaller than θ g / 3. In the present case, ie at n κ = 1.45 and n M = 1.34 (refractive index of the fluid medium 10 located outside the body 4, in the present case water, for light of the wavelength 800 nm) and a resulting angle angle θ g of the total reflection of 67 °, these are angles of incidence θ <33 ° or θ <22 °. In a practical embodiment, an angle of incidence of approximately 10 ° has proven to be particularly suitable.
Eine auf die Grenzfläche 8 einfallende Ultraschallwelle 12 erzeugt eine zeitliche und räumliche Modulation des Brechungsindex nM des fluiden Mediums 10 an der Grenzfläche 8 (die durch die Ultraschallwelle erzeugte Modulation des Bre- chungsindex nκ des Körpers 4 ist vernachlässigbar) und somit eine zeitliche und räumliche Modulation der Intensität des an der Grenzfläche 8 reflektierten Lichtes LR. Der zeitliche Verlauf der Intensität des reflektierten Lichtes LR und dessen Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt wird in einer Lichtempfängeranordnung 14, im Ausführungsbeispiel ein ein- oder zweidimensionales Array aus Lichtempfängern 14j., gemessen und ist ein direktes Maß für den zeitlichen Verlauf und
der räumlichen Verteilung des Schalldrucks im beleuchteten Flächenbereich 6. Als Lichtempfäner 14± sind im Ausführungsbeispiel Fotodioden vorgesehen. Alternativ hierzu kann auch ein CCD-Array eingesetzt werden. Jedem Lichtempfänger 14± ist ein Ausschnitt aus dem reflektierten Lichtstrahl LR und damit ein Ausschnitt aus dem beleuchteten Gebiet 6 zugeordnet, so dass die laterale Auflösung durch die gemoetrischen Verhältnisse der Lichtempfängeranordnung 14, d. h. die Anordnung und Größe der Eintrittsaperturen der Lichtempfänger 14j. bestimmt ist.An ultrasound wave 12 incident on the interface 8 generates a temporal and spatial modulation of the refractive index n M of the fluid medium 10 at the interface 8 (the modulation of the refractive index n κ of the body 4 generated by the ultrasound wave is negligible) and thus a temporal and spatial modulation of the intensity of the light LR reflected at the interface 8. The temporal course of the intensity of the reflected light LR and its intensity distribution in the beam cross section is recorded in a light receiver arrangement 14, in the exemplary embodiment a one- or two-dimensional array of light receivers 14j . , measured and is a direct measure of the time course and the spatial distribution of the sound pressure in the illuminated area 6. In the exemplary embodiment, photodiodes are provided as light receivers 14 ± . Alternatively, a CCD array can also be used. A section of the reflected light beam LR and thus a section of the illuminated area 6 is assigned to each light receiver 14 ± , so that the lateral resolution due to the geometric relationships of the light receiver arrangement 14, ie the arrangement and size of the entrance apertures of the light receivers 14j . is determined.
Im Ausführungsbeispiel breiten sich das gesendete Licht LS und das reflektierte Licht LR auch außerhalb des Körpers 4 frei aus . Der zur Vertikalen geneigte Ein- und Ausfallswinkel θ führt nach einer vom Einfallswinkel und vom Strahldurchmesser abhängigen Wegstrecke zu einer Entkopplung der beiden Lichtwege, ohne dass es hierzu intensitätsmindernder Strahlenteiler bedarf, wie sie bei grundsätzlich ebenfalls möglicher senkrechter Inzidenz notwendig wären. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist außerdem eine an der Eintrittsfläche 7 auftretende Brechung der gesendeten und des reflektierten Lichtes LS, LR nicht in die Figur eingezeichnet.In the exemplary embodiment, the transmitted light LS and the reflected light LR also propagate freely outside the body 4. The angle of incidence and exit angle θ, which is inclined to the vertical, leads to a decoupling of the two light paths after a distance dependent on the angle of incidence and the beam diameter, without the need for intensity-reducing beam splitters, as would also be necessary with a possible vertical incidence. For reasons of clarity, a refraction of the transmitted and of the reflected light LS, LR that occurs at the entry surface 7 is also not shown in the figure.
Zum Kollimieren des gesendeten Lichtes LS auf die Grenzfläche 8 ist eine Abbildungsoptik 20 vorgesehen, die den von derIn order to collimate the transmitted light LS onto the interface 8, imaging optics 20 are provided which correspond to those of the
Lichtquelle 2 emittierten divergenten Lichtstrahl in ein annähernd paralleles Strahlenbündel umwandelt, das das Gebiet 6 zusammenhängend, d. h. auf seiner gesamten Fläche ausgeleuchtet. Die Querausdehnung des Gebietes 6 beträgt typischerweise 1 bis 20 mm.Light source 2 emits divergent light beam into an approximately parallel beam that converges the area 6, i. H. illuminated over its entire area. The transverse extent of the area 6 is typically 1 to 20 mm.
Die Abbildungsoptik 20 kann auch im Inneren des Körpers 4 angeordnet sein, so dass ein kompakter und unempfindlicher Aufbau des Hydrophons möglich ist. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, zwischen dem Körper 4 und der Lichtempfängeranordnung 14 eine Abbildungsoptik, beispielsweise einen Kollimator, anzuordnen. Durch entsprechende Abbildungsoptiken
zwischen dem Körper 4 und der Lichtempfängeranordnung 14 ist es außerdem möglich, die gewünschte räumliche Auflösung im beleuchteten Gebiet auf die geometrischen Verhältnisse der Lichtempfängeranordnung 14, d. h. das Rastermaß der Lichtemp- fänger 14± anzupassen.The imaging optics 20 can also be arranged inside the body 4, so that a compact and insensitive construction of the hydrophone is possible. Under certain circumstances, it may also be expedient to arrange imaging optics, for example a collimator, between the body 4 and the light receiver arrangement 14. Through appropriate imaging optics between the body 4 and the light receiver arrangement 14, it is also possible to adapt the desired spatial resolution in the illuminated area to the geometric conditions of the light receiver arrangement 14, ie the pitch of the light receiver 14 ± .
Der Körper 4 ist relativ zur Abbildungsoptik 20 quer zu deren optischer Achse (quer zum Lichtweg bzw. quer zur Normalen des Gebietes 6 oder der Grenzfläche 8) verschiebbar angeordnet, wie dies durch den Pfeil 26 veranschaulicht ist. Tritt durch den Ultraschallimpuls oder durch Kavitationsblasen eine Beschädigung der Oberfläche des Körpers 4 im beleuchteten oder genutzten Flächenbereich 6 auf, so kann der Körper 4 bei feststehender Anordnung aus Lichtquelle 2, Abbildungsoptik 20 und Lichtempfänger 14 um einige mm verschoben werden, bis der beleuchtete Flächenbereich 6 wieder an einer unbeschädigten Stelle des Körpers 4 zu liegen kommt.The body 4 is displaceable relative to the imaging optics 20 transversely to its optical axis (transversely to the light path or transversely to the normal of the region 6 or the interface 8), as is illustrated by the arrow 26. If the surface of the body 4 in the illuminated or used surface area 6 is damaged by the ultrasound pulse or by cavitation bubbles, the body 4 can be shifted by a few mm with the light source 2, imaging optics 20 and light receiver 14 arranged in a fixed manner until the illuminated surface area 6 comes to rest on an undamaged point of the body 4.
Gemäß Figur 2a wird die Grenzfläche auf einem annähernd kreisscheibenförmigen, aufgrund des von Null verschiedenenAccording to Figure 2a, the interface is on an approximately circular disc-shaped, due to the different from zero
Einfalswinkels T in der Praxis leicht ellipsenförmiger} Gebiet 6a beleuchtet. Als Empfängeranordnung ist in diesem Falle eine an diese Flächenform angepasste zweidimensionale Anordnung von Lichtempfängern 14^ vorgesehen. Die Eintrittsapertur des Lichtempfängers 14ι legt die Größe der ihm zugeordneten Teilfläche 6j. des Gebiets 6a fest.Incidence angle T illuminated in practice slightly elliptical} area 6a. In this case, a two-dimensional arrangement of light receivers 14 ^ adapted to this surface shape is provided as the receiver arrangement. The entrance aperture of the light receiver 14ι defines the size of the partial area 6j assigned to it . of area 6a.
Durch entsprechende strahlformende Abbildungsoptiken (Zylinderlinsen) können auch annähernd rechteckige Strahlformen er- zeugt werden, die die Grenzfläche 8 auf einem rechteckigen Gebiet 6b beleuchten, wie diese in Figur 2b veranschaulicht ist.Appropriate beam-shaping imaging optics (cylindrical lenses) can also be used to produce approximately rectangular beam shapes which illuminate the interface 8 in a rectangular region 6b, as illustrated in FIG. 2b.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist eine Mehrzahl von Lichtquellen 2 bis 2n vorgesehen. Jeder dieser Lichtquellen 2ι bis 2n ist ein Lichtempfänger 4_ bis 14n_ι, 14n zugeordnet. Im Beispiel werden die von den Lichtquellen 2χ bis 2n jeweils
erzeugten Lichtstrahlen LSi mit Hilfe einer Lichtleiteranordnung 16 bis zum Körper 4 übertragen, die aus einer der Anzahl der Lichtquellen 21 bis 2n entsprechenden Anzahl von Lichtleitern 16ι bis 16n aufgebaut ist. Ebenso werden die reflek- tierten Lichtstrahlen LRα bis LRn mit Hilfe einer aus Lichtleitern 18ι bis 18n aufgebauten Lichtleiteranordnung 18 an die Lichtempfänger 14! bis 14n übertragen. In der Figur ist auch noch gestrichelt angedeutet, dass jedem Lichtleiter 16ι bzw. 18χ eine Abbildungsoptik 30A bzw. 32j. zugeordnet sein kann, die die Austrittsapertur des Lichtleiters 16ι auf die Grenzfläche 8 bzw. das Bild der Austrittsapertur auf der Grenzfläche 8 in die Eintrittsapertur des Lichtleiters I83. abbildet .In the exemplary embodiment according to FIG. 3, a plurality of light sources 2 to 2 n are provided. Each of these light sources 2ι to 2 n is assigned a light receiver 4_ to 14 n _ι, 14 n . In the example, the light sources 2χ to 2 n each generated light beams LSi with the aid of a light guide arrangement 16 to the body 4, which is made up of a number of light sources 2 1 to 2 n corresponding to the number of light guides 16ι to 16 n . Likewise, the reflected light beams LR α to LR n are directed to the light receivers 14 with the aid of a light guide arrangement 18 made up of light guides 18 1 to 18 n ! transmitted to 14 n . In the figure it is also indicated by dashed lines that each optical waveguide 16ι or 18χ has an imaging optics 30 A or 32j . can be assigned, which maps the exit aperture of the light guide 16ι on the interface 8 or the image of the exit aperture on the interface 8 in the entry aperture of the light guide I8 3rd
Anstelle der in der Figur dargestellten Lichtleiteranordnung, die in der Praxis durch ein entsprechend aufgeteiltes Lichtleitfaserbündel aufgebaut ist, ist auch eine freie Strahlpro- pagation des gesendeten Lichtes LSj. und des re lektierten Lichtes LRj. auch außerhalb des Körpers 4 möglich. Ebenso kann anstelle einer Vielzahl von Lichtquellen auch eine einzigeInstead of the light guide arrangement shown in the figure, which in practice is constructed by a correspondingly divided optical fiber bundle, there is also free beam propagation of the transmitted light LSj . and the reelected light LRj . also possible outside the body 4. Likewise, instead of a large number of light sources, a single one can also be used
Lichtquelle vorgesehen sein und das von .dieser erzeugte Licht in eine Vielzahl von Lichtleitern eingekoppelt werden kann.Light source can be provided and the light generated by this can be coupled into a plurality of light guides.
Mit einer solchen Separation der gesendeten Lichtstrahlen LSi ist es möglich, das beleuchtete Gebiet 6 auf einer Vielzahl von räumlich getrennten kleinen Teilflächen 61 bis 6n zu beleuchten. Die Anordnung dieser Teilflächen 61 bis 6n kann dann an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Figur 4a veranschaulicht eine lineare, Figur 4b eine kreuzförmige und Figur 4c eine rechteckförmige Anordnung der Teilflächen 61 bis 6n. Durch eine Führung des reflektierten Lichtes LRi mit Lichtleitern 18i muss auch die geometrische Anordnung der Lichtempfänger 14i in der Lichtempfängeranrodung 14 nicht mehr mit der Anordnung der Teilflächen an der Grenzfläche 8 übereinstimmen, so dass es grundsätzlich möglich ist, auch mit einem linearen Lichtempfängerarray eine rechteckige An-
Ordnung der Messflecke zu erfassen, wie sie beispielsweise in Figur 4c veranschaulicht ist.
With such a separation of the transmitted light beams LSi, it is possible to illuminate the illuminated area 6 on a large number of spatially separated small partial areas 6 1 to 6 n . The arrangement of these partial areas 6 1 to 6 n can then be adapted to the respective needs. FIG. 4a illustrates a linear arrangement, FIG. 4b a cross-shaped arrangement and FIG. 4c a rectangular arrangement of the partial areas 6 1 to 6 n . By guiding the reflected light LRi with light guides 18i, the geometric arrangement of the light receivers 14i in the light receiver array 14 no longer has to match the arrangement of the partial areas at the interface 8, so that it is fundamentally possible to use a rectangular pattern even with a linear light receiver array - Order of the measurement spots, as illustrated for example in FIG. 4c.