專利名稱：動(dòng)態(tài)變化的探測(cè)方法、動(dòng)態(tài)變化的探測(cè)設(shè)備以及超聲波診斷設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于探測(cè)超聲波等傳播通過(guò)介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)變化的方法和設(shè)備。另外，本發(fā)明還涉及一種具有這種動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備的超聲波診斷設(shè)備。
圖11A和11B大致地說(shuō)明了普通探頭的結(jié)構(gòu)圖11A為該探頭的總體透視圖，圖11B為放大的透視圖，顯示出一組振蕩器。
探頭301整體上為一種薄箱子形狀并且具有細(xì)長(zhǎng)的矩形探測(cè)表面302。該探測(cè)表面302與人體接觸，并且發(fā)射出一種超聲波以便接收從人體深處反射的超聲波回波。在圖11A中，傳送超聲波接收信號(hào)的電纜307與探頭301的上端相連。
組同時(shí)用作超聲波的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的梳形振蕩器303裝在探測(cè)表面302中。該組振蕩器303通過(guò)在薄的(例如厚度為0.2至0.3mm)帶狀PZT片中設(shè)置許多狹縫306(例如寬度為0.1mm)并且設(shè)置許多(例如256個(gè))梳齒形單個(gè)振蕩器305(例如0.2mm寬20mm長(zhǎng))來(lái)形成。
在每個(gè)單獨(dú)的振蕩器305中形成有電極，并且電極上連接有信號(hào)線。由樹(shù)脂材料如橡膠制成的聲透鏡層或聲匹配層被粘貼在陣列振蕩器303的表面(圖11A中下面)上，并且包裝材料被粘貼到背面上。聲透鏡層有效地會(huì)聚了所透射的超聲波。聲匹配層改善了超聲波的透射效率。包裝材料的作用在于固定振蕩器并且促使振蕩器的振蕩提早完成。
在Toyo Publishing Co.的“超聲波觀察方法和診斷方法”和IshiyakuPublishing Co.的“基礎(chǔ)超聲波醫(yī)學(xué)”中詳細(xì)說(shuō)明了這些超聲波探頭和超聲波診斷設(shè)備。
在超聲波診斷領(lǐng)域中，要求采集三維數(shù)據(jù)以便獲得有關(guān)目標(biāo)內(nèi)部的更詳細(xì)的信息。為了符合這樣要求，則要求將超聲波探測(cè)元件(超聲波傳感器)做成二維陣列。然而在上述的PZT中，由于下面的原因，在現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)之上難以進(jìn)行設(shè)備的改良和綜合。也就是說(shuō)，PZT材料(陶瓷)的加工技術(shù)處在有限的水平上，并且進(jìn)一步的改良會(huì)導(dǎo)致加工產(chǎn)量的極度降低。這還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線數(shù)量的增加，從而導(dǎo)致線路的電阻抗增加。另外，在單獨(dú)元件(單個(gè)振蕩器)之間的干擾會(huì)增加。因此認(rèn)為在現(xiàn)有技術(shù)的水平上難以采用PZT獲得二維陣列探頭。
在“超聲波成像”20,1-15(1998)中出現(xiàn)了一篇由Duke大學(xué)的E.D.Light等人撰寫(xiě)的題目為“用于實(shí)時(shí)體積成像(volumetric imaging)的二維陣列方面的進(jìn)展”的文章，該文章披露了一種具有二維陣列PZT超聲波傳感器的探頭。然而該文章認(rèn)為“為了獲得類(lèi)似質(zhì)量的圖象，必須提供128×128=16384二維陣列的元件。然而這么多RF通道的制作是復(fù)雜而又昂貴的，因此，在將來(lái)該解決方案只有很小的可能性。還有將這么多元件緊密地連接起來(lái)是非常困難的?！?第2頁(yè)，第14-18行)。
另一方面，采用了光纖的傳感器被用做沒(méi)有采用壓電材料例如PZT的超聲波傳感器。這種光纖超聲波傳感器適用于在受到磁場(chǎng)巨大影響的場(chǎng)所或在一個(gè)狹窄的場(chǎng)所處進(jìn)行測(cè)量。
現(xiàn)在能夠得到一種采用了光纖Bragg光柵(下文被縮寫(xiě)為“FBG”)的光纖超聲波傳感器(參見(jiàn)TAKAHASHI，國(guó)防學(xué)院等的“具有光纖Bragg光柵的水下聲傳感器”，光學(xué)綜述，第4卷，第6期(1997)第691-694頁(yè))。FBG是通過(guò)交替地將兩種具有不同折射指數(shù)的材料層(光傳播介質(zhì))層疊成幾千層來(lái)形成的，這樣折射指數(shù)以滿足Bragg’s反射條件的間距周期地改變。假設(shè)該周期性結(jié)構(gòu)的間距為Δ，入射光的波長(zhǎng)為λ并且N為任意的整數(shù)，則Bragg反射條件將以下式來(lái)表示2NΔ=λ在Bragg反射的作用下，F(xiàn)BG選擇地反射具有滿足上述公式的特定波長(zhǎng)的光，并且讓具有其它波長(zhǎng)的光穿過(guò)。
當(dāng)超聲波傳播到FBG的時(shí)候，因?yàn)镕BG的變形會(huì)導(dǎo)致上述周期性結(jié)構(gòu)的間距Δ的改變，所以該選擇地反射的光的波長(zhǎng)λ也會(huì)改變。在實(shí)際應(yīng)用中，存在傾斜區(qū)域，在該區(qū)域中反射率在顯示出最高反射率(最低透射率)的中心波長(zhǎng)的之前和之后變化，并且在使具有在這些傾斜區(qū)域中的波長(zhǎng)的探測(cè)光入射到FBG上的同時(shí)將超聲波施加到FBG上。從而就有可能觀察到反射光(或透射光)的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于超聲波強(qiáng)度的變化。該超聲波強(qiáng)度可以通過(guò)將該光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)確定出。
還有另外一種采用了法布里珀羅諧振器(以下被縮寫(xiě)為“FPR”)的光纖超聲波傳感器(參見(jiàn)東京技術(shù)學(xué)院的UNO等人的“用于兆赫超聲波領(lǐng)域測(cè)量的光纖微探頭的構(gòu)成和性能”，T.IEE Japan，第118-E卷，98年第11期)。
UNO等人的傳感器是通過(guò)以下步驟制成的通過(guò)金汽相沉積在單模光纖(λ=1.3μm，芯部10μm并且包覆層125μm)處形成半反射鏡，通過(guò)聚酯樹(shù)脂組分(n=1.55)在其前端處形成空腔(長(zhǎng)度100μm)，并且通過(guò)金汽相沉積來(lái)進(jìn)一步在其前端處形成全反射鏡。
使波長(zhǎng)為λ的探測(cè)光從半反射鏡側(cè)入射進(jìn)該傳感器中，并且從全反射鏡側(cè)發(fā)射超聲波。當(dāng)半反射鏡的反射率為r，單程增益(gain)為G，空腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)并且折射指數(shù)為n的時(shí)候，該傳感器的反射率R由下式來(lái)確定R=(r-G)2+4rGsin2δ(1-rG)2+4rGsin2δ]]>其中，6是通過(guò)下式計(jì)算出的δ=2πLn/λ該表示了6的公式表明由超聲波聲壓的變化所引起的空腔的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的光路長(zhǎng)度2L的變化，即光路長(zhǎng)度L的變化會(huì)導(dǎo)致來(lái)自傳感器的光的反射特性的改變。
在實(shí)際應(yīng)用中，存在傾斜區(qū)域，在這些區(qū)域中反射率在顯示出最小反射率的中心波長(zhǎng)之前或之后變化，并且可以在使任意傾斜區(qū)域中的探測(cè)光入射到FPR上的同時(shí)，通過(guò)將超聲波施加到FPR上來(lái)觀察反射光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于超聲波強(qiáng)度的變化。超聲波的強(qiáng)度可以通過(guò)將光強(qiáng)度的這種變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換來(lái)確定。
但是上述采用了光纖的超聲波傳感器存在缺陷。如果為了改善探測(cè)靈敏度而設(shè)計(jì)了陡峭的傾斜區(qū)域的話，那么動(dòng)態(tài)范圍會(huì)不可避免地變窄。相反更平緩的特征曲線設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致更寬的動(dòng)態(tài)范圍，但是探測(cè)靈敏度更差。
為了解決這些問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法包括以下步驟(a)使具有至少一個(gè)波長(zhǎng)組成的光從具有隨著入射光的波長(zhǎng)而改變的透射/反射特性的投射/反射部分的一個(gè)端部進(jìn)入到具有通過(guò)將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接到透射/反射部分的另一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分的探測(cè)元件上；(b)通過(guò)所述探測(cè)部分來(lái)探測(cè)反射光以獲得探測(cè)信號(hào)；并且(c)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分的尺寸變化的探測(cè)信號(hào)的振幅改變的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備包括光源，用來(lái)發(fā)射具有至少一種波長(zhǎng)組成的光；探測(cè)元件，具有由將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接在具有隨著入射光波長(zhǎng)而改變的透射/反射特性的透射/反射部分的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分，由所述光源發(fā)射出的光從所述透射/反射部分的另一端進(jìn)入到所述探測(cè)元件；多個(gè)光探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)部分所反射的光以探測(cè)出探測(cè)信號(hào)；信號(hào)處理裝置，用來(lái)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分尺寸上的變化的探測(cè)信號(hào)振幅上的變化的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
根據(jù)本發(fā)明的超聲波診斷設(shè)備包括發(fā)射設(shè)備，該設(shè)備用來(lái)向目標(biāo)發(fā)射超聲波；光源，用來(lái)發(fā)射出具有至少一種波長(zhǎng)組成的光；探測(cè)元件，具有由將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接在具有對(duì)應(yīng)于入射光波長(zhǎng)的不同的透射/反射特性的透射/反射部分的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分，由所述光源發(fā)射出的光從所述透射/反射部分的另一端進(jìn)入到所述探測(cè)元件；多個(gè)光探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)部分所反射的光以探測(cè)出探測(cè)信號(hào)；信號(hào)處理裝置，用來(lái)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分尺寸上的變化的探測(cè)信號(hào)振幅上的變化的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化；圖象顯示裝置，用于在來(lái)自所述信號(hào)處理裝置的信號(hào)輸出的基礎(chǔ)上顯示出圖象。
根據(jù)本發(fā)明，采用了具有通過(guò)將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接到具有隨著入射光波長(zhǎng)而改變的透射/反射性能的透射/反射部分3的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分的探測(cè)元件。因此就有可能通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)來(lái)同時(shí)獲得高探測(cè)靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍。
簡(jiǎn)要的


圖1A為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例包含在動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備中的探測(cè)元件(傳感器)的剖視圖；圖1B為透視圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例包含在動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備中的以二維陣列布置的多個(gè)探測(cè)元件的布置；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)；圖3所示為在本發(fā)明的第一實(shí)施例中的透射/反射部分的反射特性曲線；圖4A至4C所示為在本發(fā)明第一實(shí)施例中當(dāng)半反射鏡的反射率為90％的時(shí)候的各個(gè)部分的反射特性曲線；圖5A至5C所示為在本發(fā)明第一實(shí)施例中當(dāng)半反射鏡的反射率為50％的時(shí)候的各個(gè)部分的反射特性曲線；圖6A至6C所示為在本發(fā)明第一實(shí)施例中當(dāng)半反射鏡的反射率為20％的時(shí)候的各個(gè)部分的反射特性曲線；圖7所示為在本發(fā)明第一實(shí)施例中的探測(cè)部分的反射特性；圖8所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的動(dòng)態(tài)探測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，該第二實(shí)施例具有超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)作為光源；圖9所示為SLD的光輻射特性；圖10為方框圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的超聲波診斷設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)；圖11A為透視圖，顯示出普通探頭的總體結(jié)構(gòu)；并且圖11B為放大的透視圖，顯示出在普通探頭中所包含的一組振蕩器。
優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。相同的附圖標(biāo)記指的是相同的部分，并且其說(shuō)明被省略了。
圖1A和1B大致地表示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備中所包含的探測(cè)元件(超聲波傳感器)圖1A為一個(gè)探測(cè)元件的剖視圖；圖1B為透視圖，顯示出以二維陣列布置的多個(gè)探測(cè)元件的布置。
探測(cè)元件包括光纖2和形成在光纖2的前端處的探測(cè)部分1。探測(cè)部分1具有連接在光纖2的前端上的透射/反射部分3和連接在發(fā)射/發(fā)射部分3上的共振部分5。該透射/反射部分3形成一種光纖Bragg光柵(FGB)，并且共振部分5形成法布里珀羅諧振器(FPR)。因此，光纖Bragg光柵類(lèi)型的法布里珀羅干涉系統(tǒng)由透射/反射部分3和共振部分5構(gòu)成。
探測(cè)光LE從光纖2進(jìn)入探測(cè)部分1，并且正相反，反射光LR從探測(cè)部分1進(jìn)入光纖2。設(shè)置在探測(cè)部分1的前端處的共振部分5的全反射鏡19與目標(biāo)7接觸，并且提供一種傳播穿過(guò)該目標(biāo)7的超聲波9。在該探測(cè)元件中，光路的長(zhǎng)度是通過(guò)使動(dòng)態(tài)改變從全反射鏡19側(cè)傳播到共振部分5上而引起共振部分5偏斜來(lái)改變的。所傳播的動(dòng)態(tài)改變可以從由在光路長(zhǎng)度中的這個(gè)改變所導(dǎo)致的反射特性的改變中探測(cè)到。因?yàn)橥干?反射部分3的透射率/反射率可以通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)來(lái)改變，所以就有可能引起探測(cè)部分1的探測(cè)靈敏度的改變。
透射/反射部分(FBG)3是通過(guò)交替地將兩種具有不同折射率的材料層疊幾千層來(lái)形成的，這樣折射率以一個(gè)滿足Bragg反射條件的間距(例如0.5μm)周期性變化(參見(jiàn)應(yīng)用物理，第67卷，第9期(1998)，第1029頁(yè))。當(dāng)每層的周期性結(jié)構(gòu)的間距為Δ，入射光的波長(zhǎng)為λ并且N為任意的整數(shù)的時(shí)候，Bragg反射條件將以下式表示2NΔ=λ該FBG選擇地反射具有滿足根據(jù)Bragg反射條件的上述公式的條件的特定波長(zhǎng)的光，并且讓具有其它波長(zhǎng)的光穿過(guò)。
共振部分5包括連接在透射/反射部分3上的光透射介質(zhì)17以及形成在其前端處的全反射鏡19。該透射/反射部分3被當(dāng)作一種半反射鏡并且被假設(shè)位于介質(zhì)17的一個(gè)端部處。
波長(zhǎng)為λ的探測(cè)光從透射/反射部分3進(jìn)入共振部分5，并且超聲波從全反射鏡側(cè)施加。當(dāng)半反射鏡的反射率為r，單程增益(gain)為G，介質(zhì)17長(zhǎng)度為L(zhǎng)并且介質(zhì)17的折射指數(shù)為n的時(shí)候，共振部分5的反射率R由下式給出R=(r-G)2+4rGsin2δ(1-rG)2+4rGsin2δ]]>其中，δ是從下式計(jì)算出的δ=2πLn/λ該公式表明由超聲波聲壓的變化所引起的介質(zhì)17來(lái)回的光路長(zhǎng)度2L的變化會(huì)導(dǎo)致來(lái)自共振部分5的光的反射特性的變化。
實(shí)際上，存在傾斜區(qū)域，在這些區(qū)域中反射率在顯示出最小反射率的中心波長(zhǎng)之前或之后變化，并且可以通過(guò)將超聲波施加到FPR上同時(shí)使任意傾斜區(qū)域的探測(cè)光入射進(jìn)FPR來(lái)觀察反射光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于超聲波強(qiáng)度的變化。
如圖1B所示，二維陣列超聲波傳感器21是通過(guò)將多個(gè)探測(cè)元件縱向地和橫向地布置成一個(gè)矩陣形狀來(lái)形成的。
圖2所示為該實(shí)施例的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備(超聲波探測(cè)設(shè)備)的結(jié)構(gòu)。
在圖2中的右邊顯示了類(lèi)似于如圖1所示的探測(cè)部分1，并且在其中形成的具有所述探測(cè)部分1的光纖51延伸到圖2中的左邊。
在圖2中，光源設(shè)備30被顯示在光纖51的左邊。光源設(shè)備30具有三個(gè)激光器31、32和33。激光器31發(fā)射波長(zhǎng)為λ1’的激光束LE1；激光器32發(fā)射波長(zhǎng)為λ2’的激光束LE2；而激光器33發(fā)射波長(zhǎng)為λ3’的激光束LE3。
在激光器33的發(fā)射側(cè)上對(duì)角地向上設(shè)置有反射鏡41，從而激光束LE3被向上反射。在激光器32的發(fā)射面上對(duì)角地向上設(shè)置有分色鏡43，從而激光束LE2被向上反射。激光束LE3在另一方面通過(guò)分色鏡43。在激光器31的發(fā)射面上還對(duì)角地設(shè)置有另一塊分色鏡45。激光束LE1透射過(guò)該分色鏡45。另一方面，激光束LE2和激光束LE3由分色鏡45反射。總之，這三條激光束LE1、LE2和LE3在分色鏡45處組合在一起并轉(zhuǎn)到右邊。
在分色鏡45的右邊設(shè)置有透鏡47。所組合的光輸送穿過(guò)該透鏡47并且進(jìn)入光纖51。光纖51通過(guò)光耦合器53延伸到右邊。如上參照附圖1所述具有透射/反射部分3和共振部分3的探測(cè)部分1連接在光纖51的前端上。
反射光LR從探測(cè)部分1進(jìn)入光纖51。反射光LR在光耦合器53處進(jìn)入光纖81。光纖81向下延伸，并且分光裝置83設(shè)在它前面。分光裝置83具有透鏡85和衍射光柵87。透鏡85設(shè)置在光纖81的出口側(cè)上，并且使得從光纖81中發(fā)射出的光LR傳輸并導(dǎo)向衍射光柵87。光LR被分成具有不同衍射角的用于單獨(dú)波長(zhǎng)組成的光LR1、光LR2和光LR3并且射向左邊。
在分光設(shè)備83的左邊上設(shè)置了三個(gè)光探測(cè)器91、92和93。光探測(cè)器91至93接收由分光設(shè)備83分出的光LR1(波長(zhǎng)λ1’)、光LR2(波長(zhǎng)λ2’)和光LR3(波長(zhǎng)λ3’)，并且探測(cè)它們相應(yīng)的強(qiáng)度。每個(gè)光探測(cè)器91至93將所探測(cè)到的光強(qiáng)度作為電信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理裝置97。信號(hào)處理裝置97處理所接收到的信號(hào)以獲取一個(gè)圖象信號(hào)并且將該圖象信號(hào)發(fā)送到顯示裝置99。對(duì)于在該技術(shù)領(lǐng)域中針對(duì)一般的信號(hào)處理方法的具體細(xì)節(jié)，請(qǐng)參照Toyo Publishing Co.的“超聲波觀察方法和診斷方法”，或Ishiyaku Publishing Co.的“基礎(chǔ)超聲波醫(yī)學(xué)”。
圖3所示為透射/反射部分(FBG)3的反射特性曲線垂直軸代表反射率，水平軸代表波長(zhǎng)。在圖3中顯示出反射率的峰值。該峰值的中心波長(zhǎng)由λc表示；稍微在該峰值之外的反射率為95％的波長(zhǎng)為λ1；基本上在該峰值的右邊上的斜面(傾斜區(qū)域)的中心(反射率50％)處的波長(zhǎng)為λ2；并且在斜面下面部分(反射率20％)處的波長(zhǎng)為λ3。
圖4A至6C為共振部分(FPR)的反射特性曲線的示意圖。其中圖4A至4C的視圖用來(lái)說(shuō)明當(dāng)半反射鏡的反射率為90％的時(shí)候的反射特性。圖5A至5C的視圖用來(lái)說(shuō)明半反射鏡的反射率為50％的時(shí)候的反射特性。圖6A至6C的視圖用來(lái)說(shuō)明半反射鏡的反射率為20％的時(shí)候的反射特性。垂直軸代表反射率，水平軸代表波長(zhǎng)。
如圖4B、5B和6B所示，全反射鏡對(duì)于所有上述波長(zhǎng)λ1、λ2和λ3來(lái)說(shuō)的發(fā)射率基本上為100％(全反射)。如圖4C、5C和6C所示，最小的反射率周期性地出現(xiàn)，并且部分反射鏡的反射特性的反射率越高，則反射類(lèi)型的法布里珀羅諧振器的反射特性的反射率的凹入部分的半帶寬度W就越窄。
如圖1中所示的探測(cè)部分1的反射特性是由透射/反射部分3的反射特性、共振部分5的反射特性以及透射/反射部分3和共振部分5之間的共振特性所產(chǎn)生的。該特性可以由下式來(lái)表示GR=(R-Gs)2+4RGssin2(2πnL/λ)(1-RGs)2+4RGssin2(2πnL/λ)]]>其中，GR總體上代表探測(cè)部分的反射率；R為部分反射鏡的反射率；Gs為共振部分5的增益(gain)。
圖7所示為探測(cè)部分的反射特性；垂直軸代表反射率，水平軸代表波長(zhǎng)。在圖7中顯示出三個(gè)低反射特性的凹入部分。左邊的凹入部分被稱為傾斜區(qū)域R1，中間的凹入部分為傾斜區(qū)域R2，而右邊的凹入部分為R3。由于透射/反射部分的反射特性，這些凹入部分的中心波長(zhǎng)被分別設(shè)為λ1、λ2和λ3。
用來(lái)探測(cè)動(dòng)態(tài)變化的光的激光波長(zhǎng)λ1’、λ2’和λ3’被設(shè)定在圖7中所示的單獨(dú)反射特性的傾斜區(qū)域中。例如λ1’被設(shè)定在傾斜區(qū)域R1中。當(dāng)超聲波進(jìn)入共振器的全反射薄膜表面中的時(shí)候，在該全反射薄膜表面中引起微小的位移，并且在法布里珀羅諧振器的諧振器長(zhǎng)度中出現(xiàn)了細(xì)微的變化。因此，如圖7中所示的反射特性的傾斜區(qū)域R1沿著波長(zhǎng)軸線(水平軸線)方向移動(dòng)。因此，對(duì)于波長(zhǎng)λ1’的反射率會(huì)改變并且從法布里珀羅諧振器中返回來(lái)的波長(zhǎng)λ1’的光強(qiáng)度也會(huì)改變，這樣就能夠探測(cè)到超聲波。
為了改善超聲波探測(cè)的靈敏度，要減小最小反射率并且要降低反射特性的凹入部分的半帶寬度以便增加光強(qiáng)度的變化并且獲得具有更陡峭的變化率(傾斜度)傾斜區(qū)域。這就導(dǎo)致更高的靈敏度。然而，由于半帶寬度變得更窄，所以探測(cè)范圍如動(dòng)態(tài)范圍變得更小。
另一方面，因?yàn)橥干?反射部分3的反射率在不同的波長(zhǎng)段中改變，所以探測(cè)部分1的反射特性總體上與傾斜區(qū)域R2和傾斜區(qū)域R3成正比如圖7所示。因此，通過(guò)采用在單個(gè)法布里珀羅諧振器中具有多個(gè)不同波長(zhǎng)λ1’、λ2’和λ3’的光，從而在具有不同探測(cè)靈敏度和不同動(dòng)態(tài)范圍的多個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的探測(cè)就可以同時(shí)進(jìn)行。因此就有可能同時(shí)以高探測(cè)靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍來(lái)完成探測(cè)。
根據(jù)該實(shí)施例，超聲波傳感器21是以一組使用的。因此，在目標(biāo)體中超聲波掃描、反射和會(huì)聚對(duì)于超聲波傳感器而言可以動(dòng)態(tài)地同時(shí)進(jìn)行，并且容易采集到有關(guān)目標(biāo)體的三維數(shù)據(jù)。由于在探測(cè)部分和來(lái)自探測(cè)部分的信號(hào)(反射光)的導(dǎo)出線中使用了纖細(xì)的光纖，所以就有可能使用以高度集中的陣列形式的探測(cè)元件而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳送的阻抗的增加。
另外根據(jù)該實(shí)施例，包含多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的探測(cè)光可以從多個(gè)具有不同波長(zhǎng)的單一波長(zhǎng)激光器中發(fā)射出。在這種情況中，光輸出就集中在一個(gè)窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。因此就有可能改進(jìn)光學(xué)探測(cè)的SN率并且獲得更高的探測(cè)靈敏度。
圖8所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。在該動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備中，采用了具有寬帶波長(zhǎng)范圍的光源例如含有超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)101的光源裝置100。其它結(jié)構(gòu)與圖2中所示的相同。根據(jù)該實(shí)施例，該結(jié)構(gòu)能夠發(fā)射出含有來(lái)自具有寬帶中的波長(zhǎng)的光源例如超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)的多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的探測(cè)光。在這種情況下，其優(yōu)點(diǎn)在于可以用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的光源。
圖9所示為SLD的發(fā)射特性曲線垂直軸代表發(fā)射強(qiáng)度，水平軸代表波長(zhǎng)。
如圖9所示，從SLD中發(fā)射出的光具有寬的發(fā)射波長(zhǎng)范圍(半波段寬度20nm到30nm)。由于該光是由具有如圖7中所示的特性的法布里珀羅諧振器反射的，所以具有由如圖7中所示的傾斜區(qū)域R1、R2和R3所組合的光譜特性的光通過(guò)光耦合器進(jìn)入波長(zhǎng)分離裝置83。只有具有在傾斜區(qū)域R1、R2和R3的特征變化區(qū)域中的波長(zhǎng)λ1’、λ2’和λ3’的組成才被分別選擇地分離。因此具有相應(yīng)波長(zhǎng)組成的光的強(qiáng)度變化以由超聲波的入射所引起的法布里珀羅反射率變化為基礎(chǔ)出現(xiàn)。因此就可以得到類(lèi)似于第一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
圖10為方框圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的超聲波診斷設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)。
該超聲波診斷設(shè)備包括發(fā)射裝置201、探頭209、接收裝置211、TV掃描轉(zhuǎn)換裝置213以及顯示裝置215(TV監(jiān)視器)。
發(fā)射裝置201采用PZT或PVDF將脈沖形超聲波振蕩信號(hào)發(fā)送到超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器203上。該轉(zhuǎn)換器203發(fā)射出超聲波，并且使該超聲波進(jìn)入到目標(biāo)206中。
在圖10中，用于超聲波的半反射鏡205(例如樹(shù)脂片)設(shè)在轉(zhuǎn)換器203的下面。在目標(biāo)體206中，超聲波回波207向上反射，并且該超聲波回波通過(guò)用于超聲波的半反射鏡205被反射到右邊，并且進(jìn)入二維陣列超聲波探測(cè)元件208中。該探測(cè)元件208將超聲波轉(zhuǎn)換成光并且將該光發(fā)送到接收裝置211上。接收裝置211將來(lái)自探測(cè)元件208的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。TV掃描轉(zhuǎn)換裝置213對(duì)來(lái)自接收裝置211的信號(hào)進(jìn)行放大等操作，然后進(jìn)行成像處理。經(jīng)成像的信號(hào)被送到顯示裝置(監(jiān)視器)215，然后在該顯示裝置215上就顯示出一個(gè)圖象。
已經(jīng)參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明。然而本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例，可以對(duì)本發(fā)明做各種改變和補(bǔ)充。在上述說(shuō)明書(shū)中，傳播穿過(guò)目標(biāo)體的超聲波作為動(dòng)態(tài)變化被采集以進(jìn)行探測(cè)。除了這之外，還可能探測(cè)動(dòng)態(tài)變化例如聲波的變化、加速度、變形、溫度和位移。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，可以在探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的時(shí)候，或者在多個(gè)條件下同時(shí)探測(cè)多個(gè)動(dòng)態(tài)變化的時(shí)候，選擇各種探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的組合。
權(quán)利要求
1．一種動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟(a)使具有至少一個(gè)波長(zhǎng)組成的光從具有隨著入射光的波長(zhǎng)而改變的透射/反射特性的投射/反射部分的一個(gè)端部進(jìn)入到具有通過(guò)將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接到透射/反射部分的另一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分的探測(cè)元件上；(b)通過(guò)所述探測(cè)部分來(lái)探測(cè)反射光以獲得探測(cè)信號(hào)；并且(c)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分的尺寸變化的探測(cè)信號(hào)的振幅改變的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
2．一種如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于步驟(a)包括使具有多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的光進(jìn)入所述探測(cè)元件；步驟(b)包括通過(guò)將所述多個(gè)不同的波長(zhǎng)組成分離來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)部分所反射出的光，從而獲得多個(gè)探測(cè)信號(hào)；并且步驟(c)包括在所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的基礎(chǔ)上，以多種不同的靈敏度同時(shí)探測(cè)傳播到所述全反射鏡的動(dòng)態(tài)變化。
3．一種如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于步驟(c)包括通過(guò)采用所述探測(cè)部分的反射率曲線的多個(gè)具有不同半帶寬度的傾斜區(qū)域來(lái)以多個(gè)不同的探測(cè)靈敏度探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
4．一種如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于所述透射/反射部分包括光纖Bragg光柵。
5．一種如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于所述動(dòng)態(tài)變化包括傳播穿過(guò)目標(biāo)的超聲波。
6．一種如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于步驟(a)包括使具有至少一個(gè)波長(zhǎng)組成的光進(jìn)入到構(gòu)成一維陣列和二維陣列中任意一種的多個(gè)探測(cè)元件中；步驟(b)包括通過(guò)探測(cè)出包括所述多個(gè)探測(cè)元件的所述探測(cè)部分所反射的光來(lái)獲得多個(gè)探測(cè)信號(hào)；并且步驟(c)包括在所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的振幅變化基礎(chǔ)上，探測(cè)出傳播到所述多個(gè)探測(cè)元件的所述全反射鏡的動(dòng)態(tài)變化。
7．一種如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于步驟(a)包括通過(guò)采用多個(gè)單波長(zhǎng)激光器使具有多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的光進(jìn)入到所述探測(cè)元件中。
8．一種如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于步驟(a)包括通過(guò)采用寬帶光發(fā)射波長(zhǎng)使具有多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的光進(jìn)入到所述探測(cè)部分中。
9．一種如權(quán)利要求8所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)方法，其特征在于所述光源為超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)。
10．一種動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于包括光源，用來(lái)發(fā)射具有至少一種波長(zhǎng)組成的光；探測(cè)元件，具有由將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接在具有隨著入射光波長(zhǎng)而改變的透射/反射特性的透射/反射部分的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分，由所述光源發(fā)射出的光從所述透射/反射部分的另一端進(jìn)入到所述探測(cè)元件；多個(gè)光探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)部分所反射的光以探測(cè)出探測(cè)信號(hào)；信號(hào)處理裝置，用來(lái)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分尺寸上的變化的探測(cè)信號(hào)振幅上的變化的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
11．一種如權(quán)利要求10所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于還包括分光裝置，用來(lái)將由所述探測(cè)部分所反射的光分成多個(gè)不同波長(zhǎng)組成；其特征在于所述光源發(fā)射具有所述多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的光；所述多個(gè)光探測(cè)器分別探測(cè)由所述分光設(shè)備分出的光以獲得多個(gè)探測(cè)探測(cè)信號(hào)；并且所述信號(hào)處理設(shè)備在所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的振幅變化基礎(chǔ)上探測(cè)出傳播到所述多個(gè)探測(cè)元件的所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
12．一種如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述信號(hào)處理設(shè)備通過(guò)采用所述探測(cè)部分的發(fā)射率特性曲線的多個(gè)具有不同半帶寬度的的傾斜區(qū)域來(lái)以多個(gè)不同的靈敏度同時(shí)探測(cè)出傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
13．一種如權(quán)利要求10所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述透射/反射部分包括光纖Bragg光柵。
14．一種如權(quán)利要求10所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述動(dòng)態(tài)變化為傳播穿過(guò)目標(biāo)的超聲波。
15．一種如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于還包括組成一維陣列和二維陣列中任意一種的多個(gè)探測(cè)元件；其特征在于所述多個(gè)光探測(cè)器通過(guò)探測(cè)出由所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的所述探測(cè)部分所反射的光以獲得多個(gè)探測(cè)信號(hào)；并且所述信號(hào)處理設(shè)備在所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的振幅變化的基礎(chǔ)上探測(cè)傳播到所述多個(gè)探測(cè)元件的所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
16．一種如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述光源包括多個(gè)分別發(fā)射出具有多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的單波長(zhǎng)激光器。
17．一種如權(quán)利要求11所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述光源包括具有寬帶光發(fā)射波長(zhǎng)的光源。
18．一種如權(quán)利要求17所述的動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備，其特征在于所述光源是一種超級(jí)發(fā)光二極管(SLD)。
19．一種超聲波診斷設(shè)備，其特征在于包括發(fā)射設(shè)備，該設(shè)備用來(lái)向目標(biāo)發(fā)射超聲波；光源，用來(lái)發(fā)射出具有至少一種波長(zhǎng)組成的光；探測(cè)元件，具有由將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接在具有對(duì)應(yīng)于入射光波長(zhǎng)的不同的透射/反射特性的透射/反射部分的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分，由所述光源發(fā)射出的光從所述透射/反射部分的另一端進(jìn)入到所述探測(cè)元件；多個(gè)光探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)部分所反射的光以探測(cè)出探測(cè)信號(hào)；信號(hào)處理裝置，用來(lái)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分尺寸上的變化的探測(cè)信號(hào)振幅上的變化的基礎(chǔ)上，探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化；圖象顯示裝置，用于在來(lái)自所述信號(hào)處理裝置的信號(hào)輸出的基礎(chǔ)上顯示出圖象。
20．一種如權(quán)利要求19所述的超聲波診斷設(shè)備，其特征在于還包括分光裝置，用來(lái)將由所述探測(cè)部分所反射的光分成多個(gè)不同波長(zhǎng)組成；其特征在于所述光源發(fā)射具有所述多個(gè)不同波長(zhǎng)組成的光；所述多個(gè)光探測(cè)器分別探測(cè)由所述分光裝置分出的光以獲得多個(gè)探測(cè)信號(hào)；并且所述信號(hào)處理設(shè)備在所述多個(gè)探測(cè)信號(hào)的振幅變化基礎(chǔ)上探測(cè)出傳播到所述多個(gè)探測(cè)元件的所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
全文摘要
一種動(dòng)態(tài)變化探測(cè)設(shè)備允許選擇各種探測(cè)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的組合條件。該設(shè)備具有光源,用來(lái)發(fā)射具有至少一種波長(zhǎng)組成的光;探測(cè)元件,具有由將包括具有預(yù)定厚度的介質(zhì)和全反射鏡在內(nèi)的共振部分連接在具有隨著入射光波長(zhǎng)而改變的透射/反射特性的透射/反射部分的一端上而構(gòu)成的探測(cè)部分,由所述光源發(fā)射出的光從所述透射/反射部分的另一端進(jìn)入到所述探測(cè)元件;多個(gè)光探測(cè)器,用來(lái)探測(cè)由所述探測(cè)所反射的光以探測(cè)出探測(cè)信號(hào);信號(hào)處理裝置,用來(lái)在對(duì)應(yīng)于由動(dòng)態(tài)變化的傳播所引起的所述探測(cè)部分尺寸上的變化的探測(cè)信號(hào)振幅上的變化的基礎(chǔ)上,探測(cè)傳播到所述全反射鏡上的動(dòng)態(tài)變化。
文檔編號(hào)H04N7/18GK1321887SQ0111049
公開(kāi)日2001年11月14日 申請(qǐng)日期2001年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月2日
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