光声振动计的制作方法
【专利摘要】本申请所公开的光声振动计，具备：声波源；声透镜系统，其将从声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过声透镜的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的平行的检测光束，该检测光束相对于声透镜系统的声轴以非垂直且非平行的角度入射光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在光声介质部发生的由检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使重叠有参照光束的衍射光会聚；图像接收部，其检测由成像透镜会聚的光，且输出电信号。
【专利说明】光声振动计
【技术领域】
[0001 ] 本申请涉及利用光和声波来计测对象物的运动的光声振动计。
【背景技术】
[0002]近年来，预测到心肌梗塞和脑梗塞等循环系统疾病的罹患人数的增加，对于诊断这些疾病的技术的要求特别高。
[0003]在诊断循环系统的疾病上，有用的信息之一，可列举通过脏器的高速的动态行为而观测到的组织和脏器的弹性特性。例如，在体内，通过调查比心率快的频域的心壁和动脉壁上的位移分布，从而调查病变部位的弹性特性，进行判断动脉硬化进展的程度和病变部位的大小的工作。由于检查方法很简单，能够以非侵入方式进行检查等，所以在该弹性特性的测定上，就超声波诊断装置的使用正在探讨研究。
[0004]现有的超声波诊断装置，是从体外向脏器等的体内组织照射超声波，检测由体内组织反射的超声波，取得体内的二维或三维图像。这种现有的超声波诊断装置，例如，在专利文献I被公开。现有的超声波诊断装置，为了进行超声波的发送接收而具备包含多个超声波振子的探头。例如，如图 30所示，探头包含一维排列的振子Tl~T15。
[0005]在超声波的接收时，振子TI~T15分别接收由体内反射的超声波、且输出电信号。各个接收信号，由信号处理电路(图30中未示出)延迟合成，而生成一个接收信号。从振子Ti(i = 1、…、15)输出的接收信号分别设为Si (t) (i = 1、…、15)时，所谓延迟合成，就是进行 AlXSl(t+tl)+A2XS2(t+t2)+...+A15XS15(t+tl5)的运算。在此，t 表示时间，ti(i = 1、…、15)表示时滞、即延迟时间，另外,Ai (i = 1、…、15)表示加权(实数)。如此，所谓延迟合成，就是指对于从各振子输出的电信号、在一边使时间错开一边加权下进行加法运算处理的信号合成法。
[0006]如图30所示，认为例如，从探头发送的超声波在点a2反射，脉冲状的球面波发生，朝向振子T1~T15传播。以球面波到达振子T5 (最靠近点a2的振子)的时刻为基准，其他的振子Ti在按时间Ti(Ti>0)滞后下输出电信号。使上述的延迟合成作为ti=T i(i=l、…、15)而进行延迟合成时，各振子的基于电信号所形成的延迟信号Si (t+ti)全部成为在同时刻脉冲状的波形出现的时间信号。其结果是，延迟合成后的信号成为拥有大的脉冲状的波形的接收信号(时间信号)。
[0007]作为假定，在该延迟合成时，在a2以外的点，例如在B1有脉冲状的球面波发生。在从各振子输出的接收信号的延迟信号Si (t+ti)中，该球面波所对应的脉冲状的波形没有同时刻出现。这是由于从a2到各振子的距离与从到各振子的距离不同，球面波到达各振子的时刻不同。因此，在延迟合成的接收信号中，在从点a2到达的球面波所相当的波形上，几乎未重叠有从点B1到来的球面波所相当的波形。
[0008]如此，通过生成接收信号，仅对于来自图30所示的纸面内的希望的点的球面波拥有灵敏度而设定延迟时间ti (i=l、…、15)，按延迟时间设定从振子T1~T15进行脉冲信号的发送接收，对于接收信号以设定的延迟时间进行延迟合成。由此，能够检测来自体内的组织的各点的球面波。
[0009]由各点反射的球面波具有与反射的强度相应的振幅，反射强度依存于各点的组织的弹性特性和组织间的声阻抗的差等。因此，通过分析接收信号中的球面波的强度分布，能够取得体内组织的断层图像。
[0010]先行技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:专利昭58-34580号公报
[0013]专利文献2:特开2000-229078号公报
[0014]根据现有的超声波诊断装置，可以进行体表面至体内的组织和脏器的断层摄影。但是，为了一张超声波图像的摄像，需要大致等于摄像区域中的像素总数的次数的延迟合成信号处理。因此，为了高速拍摄断层图像，就需要拥有大规模的模拟/数字转换器阵列和运算电路的信号处理电路。根据市场销售的高性能的超声波诊断装置，因为具备高速且大规模的信号处理电路，所以能够以数十帧/秒来得到断层图像。但是，例如，在心脏的功能诊断中所需要的数IOHz至IOOHz左右的高速振动状态的观测、和捕捉搏动引起的数IOiim微小的血管变形中要实现充分的分辨率极其困难。
[0015]另外，通过应用在专利文献2中公开检测接收信号的零交叉点的信号处理方法、和脉冲多普勒法等的雷达所适用的相位检测手法、或对于检查对象组织特殊化的各种测定方法，即使使用专利文献I所公开的探头时，也可以在数IOOHz下观察脉搏波程度的血管的振动状态。然而，构建按检查对象的组织所最佳化的检查环境的必要性存在等，要求可适应实际的临床现场的通用性的实现。
【发明内容】
[0016]本申请的非限定性的例示的实施方式，提供一种可以高速拍摄对象物的光声振动计。
[0017]为了解决上述课题，本发明的一个方式的光声振动计，具备:声波源；声透镜系统，其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴，以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚；图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。
[0018]根据本申请公开的光声振动计，能够高速摄影对象物的高精细的图像。另外，能够计测对象物的位移速度分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是表示本发明的光声摄像装置的第一实施方式的概略的结构图。
[0020]图2是表示第一实施方式的声透镜系统6的功能的光线追跡图。
[0021]图3是表示第一实施方式的检测光源19的构成的图。[0022]图4(a)是表示第一实施方式中的、均匀照明光学系统31的构成和光线的图，(b)是表示其他构成和光线的图。
[0023]图5是表示第一实施方式的均匀照明面43的设定位置的图。
[0024]图6是表不第一实施方式的参照光源23的构成和光线的图。
[0025]图7是表不第一实施方式的光声调制器214构成例的图。
[0026]图8(a)是表不在第一实施方式的光声振动计中，检测光束14由平面声波9进行衍射的情况的图，(b)是用于说明一维衍射光栅的Bragg衍射条件的图，(C)是用于说明通过Bragg衍射使平面声波上的声压分布被转印成衍射光的光束波阵面上的光振幅分布的图。
[0027]图9 (a)是表不在第一实施方式的光声振动计中,衍射光201在y方向上发生畸变的图，(b)是用于说明第一实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15所使用的变形棱镜的构造的图。
[0028]图10是用于说明构成变形棱镜的楔形棱镜的功能的图。
[0029]图11是表示在第一实施方式的光声振动计中，需要使彼此入射角度不同的多条平面光束重叠而成的光束的图。
[0030]图12(a)是用于说明光学领域中的双衍射光学系统的运转的图，(b)是表示第一实施方式的光声振动计的光声系统的图。
[0031]图13是表示经由在时间上发生位移的对象物4而发生的多普勒频移233的图。
[0032]图14是表示对象物4上的位移速度矢量分布被反映成由声透镜系统6所生成的各超声波平面波的频率调制的图。
[0033]图15是表示由平面声波生成的+1级Bragg衍射光按平面声波的频率进行频率增加的图。
[0034]图16是表示对象物4上的位移速度矢量分布被反映为实像18上的光点的频率调制的图。
[0035]图17是表不由于参照光束24的重叠而使实像18上的光点成为跳动光的图。
[0036]图18是表示第一实施方式的对象物4上的位移速度矢量分布的计测方法的图。
[0037]图19是表示以对象物4上的位移速度矢量分布作为矢量而进行计测的方法的图。
[0038]图20(a)是表示第一实施方式中的由声波所进行的图像的拍摄和位移速度矢量分布计测的步骤的一例的图，(b)是表示另一例的图。
[0039]图21是表不第一实施方式的光声振动计的具体的构成例的图。
[0040]图22是表示将第一实施方式的光声振动计作为超声波诊断装置而构成时的示例的图。
[0041]图23 (a)是表不第一实施方式的光声振动计的检测光束14的入射方向的图，(b)是表示检测光束14的另一入射方向的图。
[0042]图24是表示柱面透镜的构成和光线的图。
[0043]图25是表示在第一实施方式的光声振动计中，由柱面透镜构成、且兼备图像畸变校正部15和成像透镜系统16的作用的光学系统的构成的图。
[0044]图26是表不第二实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15的构成的图。
[0045]图27是表示第三实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15的构成的图。[0046]图28是表示第四实施方式的光声振动计的构成的图。
[0047]图29是表不第五实施方式的光声振动计的构成的图。
[0048]图30是表示利用现有的超声波诊断装置所使用的探头来检测超声波的方法的图。
【具体实施方式】
[0049]本发明的一个方式的概要如下。
[0050]作为本发明的一个方式的光声振动计，具备:
[0051]声波源；声透镜系统,其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴，以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚；图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。
[0052]所述检测光束和所述参照光束的振动数互不相同也可。
[0053]所述参照光源含有至少一个光声调制器也可。
[0054]所述参照光源含有散光板也可。
[0055]所述参照光源含有复眼透镜也可。
[0056]也可以具备含有所述成像透镜和所述图像接收部的光学系统两组。
[0057]所述参照光源含有偏光板也可。
[0058]所述图像接收部是具有二维配置的多个像素的二维图像传感器也可。
[0059]所述光声振动计还具备图像处理部，其基于所述电信号来检测由所述图像接收部的所述各像素检测到的光的量的时间变化也可。
[0060]所述参照光源含有控制所述参照光束的出射时刻的快门也可。
[0061]所述光声振动计具备至少3个所述声波源也可。
[0062]所述光声振动计还具备图像畸变校正部，其校正由所述衍射光和所述电信号表示的所述对象物的像的至少一方的畸变也可。
[0063]所述图像畸变校正部含有使所述衍射光的截面放大的光学构件也可。
[0064]所述图像畸变校正部含有使所述衍射光的截面缩小的光学构件也可。
[0065]所述光学构件含有变形棱镜也可。
[0066]所述成像透镜和所述光学构件的至少一方含有至少一个柱面透镜也可。
[0067]所述图像畸变校正部基于所述电信号来校正由所述电信号表示的所述对象物的图像的畸变也可。
[0068]各单色光的光谱宽度低于10nm，所述单色光是拥有在所述单色光的中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波也可。
[0069]所述检测光源含有至少一个复眼透镜也可。
[0070]所述声透镜系统含有折射型声透镜和反射型声透镜的至少一方也可。
[0071]所述声透镜系统含有从二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和聚苯乙烯中所选择的声元件至少一个也可。
[0072]所述声透镜系统含有焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方也可。
[0073]所述成像透镜系统含有焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方也可。
[0074]所述光声介质部含有二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和水的至少一个也可。
[0075]从所述检测光源出射的检测光束的光轴，相对于所述声透镜的声轴能够调整也可。
[0076]以下，一边参照附图，一边对于本发明的实施方式进行说明。
[0077](第一实施方式)
[0078]图1中模式化地不出第一实施方式的光声振动计100的构成。光声振动计100,具备如下:声波源1、光声介质部8、声透镜系统6、检测光源19、参照光源23、成像透镜系统
16、图像接收部17 (图像形成部)。此外，也可以还具备声波吸收端10、图像畸变校正部15和分束器22。
[0079]对象物4被配置在声波能够传播的介质3中。所谓“声波可以传播的介质3”，例如有空气、水等。体组织也是“声波可以传播的介质3”的合适的例子。另外，因为金属和混凝土等的弹性体也传播声波，所以也能够作为介质3使用。对象物4是拥有与介质3不同的弹性模量的检测对象物。具体来说，例如，为了观察受检体的体内组织而使用光声振动计100时，介质3是体组织，对象物4是作为观察对象的脏器和组织。另外，在结构物的非破坏检查中使用光声振动计100时，介质3是金属和混凝土，对象物4是开裂和坑洞等的构造上的缺陷。
[0080]声波源I和声透镜系统6与介质3直接接触配置、或经由中间层而间接接触配置。例如，在观察受检体的体内组织时，由于介质3的表面形状，声波源I和声透镜系统6与介质3难以形成良好的接触状态时，经由拥有接近介质3的声特性的凝胶状材料，使声波源I和声透镜系统6与介质3接触也可。
[0081]光声振动计100，将声波源I出射的声波照射到对象物4上，将对象物4作为光学像、即实像18取得。实像18是来自对象物4的声波的散射波5所形成的像。g卩，实像18等于从声轴7的方向观察对象物4的表面和内部的弹性模量的三维分布之像。更具体地说，就实像18而言，在处于与声轴7垂直且以声透镜系统6的焦距f从声透镜系统6离开后的平面上的对象物4的弹性系数的二维分布中最对焦，成为随着从所述平面远离而不清楚(即，散焦)的图像。
[0082]这一点与显微镜的图像类似。可取得最详细的图像的、在与声轴7垂直且以声透镜系统6的焦距f从声透镜系统6离开后的平面上的对象物4的弹性系数的二维分布与实像18相似。
[0083]实像18是在对象物4上的位移速度分布所对应的频率下光的强度发生变化的图像。光声振动计100中，由图像接收部17测量实像18的光强度的闪烁周期的分布状况，取得对象物4的声波形成的图像，另外，能够计测位移速度分布。
[0084]1.光声振动计100的构成
[0085](I)声波源 I
[0086]声波源I向对象物4辐射声波2。根据对象物4的弹性特性和对象物4的周围的介质3等的环境，选择适于观测对象物4的声波2的频率。对象物4为受检者的脏器时，声波2可以是用于公知的超声波诊断装置的超声波，例如，可以是从数MHz到IOMHz的频率的
超声波。
[0087]进行一次摄像时，对于对象物4，至少照射一次作为猝发波的声波2。猝发波例如具有将多波的同一正弦波形等、振幅与频率一定的正弦波形或矩形波形得以一定时间持续的时间波形。还有，通过图1中未示出的触发电路，准确地控制声波源I发生声波2的时刻。具体来说，声波2的发射与图像接收部17摄像的时机，以数ns (Ins=IO-9秒)左右的精度进行控制。例如，声波2形成的散射波5在光声介质部8中作为平面声波9传播，平面声波9到达包含声轴7与光轴13的交点的平面时，使图像接收部17进行摄像，以此方式控制声波源I的发送时刻，控制图像接收部17的摄影时刻，或一起控制两个时刻。
[0088]声波2大致是平面波。另外，声波2以大致均匀的强度照射对象物4想要拍摄的区域。为了以大致均匀的强度照射对象物4，声波2具有比光声振动计100的可摄像区域大的射束截面也可。
[0089]若声波2照射到对象物4，则由于在对象物4的内部和表面的反射和衍射，生成与声波2拥有同一频率的散射波5。散射波5也是猝发波。散射波5具有与在对象物4的各部生成的猝发波重合的时间波形。因此，若在介质3中的一点测量声压，则声压作为振幅和定时不同的许多猝发波形重叠的时间波形被观测到。
[0090](2)声透镜系统6
[0091]声透镜系统6将散射波5转换成在光声介质部8中传播的平面声波9。声透镜系统6进行的散射波5的会聚，与光学领域中的光学元件进行的光的会聚同样，通过声波在介质中传播时产生的纵波(疏密波)，在声速不同的介质间的界面进行反射和折射来实现。以下，有使用光学领域的用语进行声透镜系统6的说明的情况。
[0092]在光声振动计100中，声透镜系统6作为:使在焦平面21上的各点生成的散射波5会聚为规定的状态、且转换成拥有互不相同的传播方向的平面声波的重叠波的元件，而发挥功能。以下，说明声透镜系统6的详细的构成。
[0093]声透镜系统6在介质3中具有焦距f。作为声透镜系统6,可以是折射型声音系统，也可以是反射型声音系统。声透镜系统6是折射型声音系统时，声透镜系统6包含至少具有一个折射面、且散射波5透过内部的声透镜。声透镜优选由二氧化硅纳米多孔体、水、Fluorinert等的氟系惰性液体、聚苯乙烯等声波的传播损失少的弹性体构成。折射面的声波的折射遵循斯奈尔定律，散射波5以介质3和构成声透镜的材料的散射波5的声速比所确定的角度进行折射。声透镜系统6是反射型声音系统时,声透镜系统6具有由金属和玻璃等声阻抗与介质3大不相同的材料构成的至少一个反射面。这些折射面和反射面均具有与光学透镜同样的形状，由此能够使散射波5会聚。
[0094]另外，也可以将与光学领域中为了减少在透镜折射面产生的反射衰减和杂散光而形成的防反射膜具有同样的功能的防反射膜，设于声透镜系统6的折射面。例如，可以将具有与介质3和声透镜的声阻抗的几何平均值相等的声阻抗的弹性体所构成、厚1/4波长(这里的波长是构成声波2的正弦波的频率下的波长)的薄膜作为防反射膜，设于声透镜的与介质3接触的折射面。
[0095]对象物4优选位于声透镜系统6的焦平面21邻域。如上述，与光学照相机等的光学摄像装置同样，随着从声透镜系统6的焦平面21偏离，对象物4的实像18变得不清楚。在此，所谓焦平面21，是指与声轴7垂直且从声透镜系统6朝向对象物4的方向离开了声透镜系统6的焦距f?的平面。
[0096]得到处于焦平面21的面外的对象物4的鲜明的实像18时，优选使对象物4位于声透镜系统6的焦平面21的邻域，如此使光声振动计100整体移动。如超声波诊断装置这样沿声透镜系统6的声轴7方向使光声振动计100移动有困难时,与光学式照相机的摄像透镜一样，声透镜系统6也可以还具备焦点调整机构。另外，使对象物4所对应的实像18的大小可变时，也可以在声透镜系统6或成像透镜系统16的任意一方或其两方设置焦距调整功能(即，变焦功能)。
[0097]为了使以下的论述简单，说明对象物4位于焦平面21邻域的情况下的声透镜系统6的功能。由于散射波5是以焦平面21上的任意一点为中心的球面波，所以经由声透镜系统6，该球面波被转换成在光声介质部8中传播的拥有平面状的波阵面的声波。
[0098]来自焦平面21上的各点的球面波被声透镜系统6转换成平面声波。因此，光声介质部8中的平面声波9，成为拥有各种行进方向的平面声波被重叠的声波。例如，如图2所示，考虑为如下情况:在焦平面21上，球面波从是声透镜系统6的声轴7上的点A和距声轴7为距离h的点B发生。经由声透镜系统6，在点A发生的球面波被转换成具有平面状的波阵面A的平面波。因为点A处于声轴7上，所以波阵面A的法线与声轴7平行。在点B发生的球面波也被转换成拥有平面状的波阵面B的平面波。但是，波阵面B的法线与声轴7构成角度V。如图2所示,角度V等于Arctan(h/f)。在此,Arctan表示反正切函数。实际上因为从处于点A和点B之间的全部的点都有球面波发生，所以图1所示的平面声波9，成为波阵面的法线相对于声轴7拥有种种角度V的非常多的平面波加以重叠的声波。
[0099]平面声波9具有与声波2相同的频率。另外，如以下详细说明的，对象物4朝向与声轴7平行的方向运动时，运动造成的多普勒频移在平面声波9的频率产生。
[0100](3)光声介质部8
[0101]光声介质部8，由平面声波9的`传播衰减少、且对于后述的检测光束14具有透光性的各向同性的弹性体构成。为了提高实像18的画质(特别是分辨率)，优选构成光声介质部8的各向同性的弹性体的声速小的方法。作为拥有这种特征的物质，适合的有例如二氧化娃纳米多孔体、Fluorinert等的氟系溶剂、水等。
[0102]光声介质部8优选按照使声透镜系统6所转换的平面声波9低损失地入射光声介质部8的方式相对于声透镜系统6配置，声透镜系统6也可以与光声介质部8接合。另外，为了压抑接合面的反射所引起的衰减，也可以在接合面还设置防反射膜。还有，由相同的材料构成声透镜系统6和光声介质部8时,也可以在光声介质部8的一部分(优选为与介质3的边界面)设置声透镜系统6。这种情况下，声透镜系统6由一个折射面构成。
[0103](4)声波吸收端10
[0104]光声振动计100也可以具备声波吸收端10。声波吸收端10被设置在光声介质部8的与设有声透镜系统6的一面相反侧的面、且将传播的平面声波9在没有反射和散射下吸收。通过声波吸收端10,到达声波吸收端10的声波完全被吸音，因此光声介质部8中存在的声波只有平面声波9。平面声波9以外的声波，作为与对象物4的弹性系数的空间分布无关的像，即，作为噪音而与实像18重叠。因此，声波吸收端10作为减少这样的噪音的元件发挥功能。作为构成声波吸收端10的材料，为了压抑与光声介质部8的界面的反射波生成，优选是具有与光声介质部8大致相等的声阻抗、且平面声波9的传播衰减大的材料。作为这样的材料，有橡胶和氨基甲酸乙酯等。
[0105]不使用声波吸收端10时，例如，也可以使用沿声轴7方向十分长的光声介质部8。这种情况下，平面声波9随着在光声介质部8传播而衰减，能够减小在端部生成的反射波。
[0106](5)检测光源I9
[0107]检测光源19生成:行进方向互不相同的平面波光束多条重叠的检测光束14。检测光束14以相对于声透镜系统6的声轴7非垂直且非平行的角度入射光声介质部8。重叠之前的各平面波光束是平面波，具有高相干性。所谓“高相干性”，是指波长、行进方向和相位统一。
[0108]一边参照图3，一边说明检测光源19的具体的构成。检测光源19，例如，主要包含单色光源11、光束扩展器12和均匀照明光学系统31。
[0109]单色光源11生成具有高相干性的光束。在光束内光的波长和相位统一。具体来说，优选单色光源11出射的光束的光谱宽度(半值宽度)低于10nm。另外，从单色光源11出射的光束，是拥有中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波。
[0110]作为单色光源11，能够使用例如He-Ne激光器所代表的气体激光器和固体激光器、由外部共振器窄带化的半导体激光器等。单色光源11出射的光束可以是连续的，也可以是出射时刻可控的脉冲光束。通过将生成的光束的波长设定成在光声介质部8中的传播损失少的波长范围，能够得到高亮度的实像18。例如，作为光声介质部8使用二氧化硅纳米多孔体时，如果使用波长600nm以上的激光器，则可以得到高亮度的实像18。
[0111]在本实施方式中，由单色光源11出射的光束，经由分束器33而分割成两条光束。然后，将其中一条光束与单模光纤34耦合并引导至参照光源23。光束向单模光纤34的耦合，能够通过聚光透镜等的聚焦光学系统将光束会聚到单模光纤34的芯中心来进行。还有，在图3所示的构成中，由分束器33反射的光束与单模光纤34耦合，但也可以将透过的光束引导至参照光源23。另外，也可以通过单模光纤34以外的光学系统、例如多个平面反射镜，将分割的一方的光束引导向参照光源23。
[0112]光束扩展器12，作为分束器33的次要的光学元件被配置在光轴13上。光束扩展器12将从单色光源11出射的光束的口径放大而使口径放大的平面波光束32出射。通过光束扩展器12，虽然口径拡大，但光束的波阵面状态得到维持。因此，透过光束扩展器12的光束也是平面波。
[0113]接着，参照图4(a) (b)，说明均匀照明光学系统31的具体的构成例。如图4(a)所示，均匀照明光学系统31，含有复眼透镜41和聚光透镜42。复眼透镜41由二维状排列的n个小透镜构成。各个小透镜具有与光轴13平行的光轴。另外，各个小透镜的焦点，全部位于与光轴13垂直的平面、即焦平面46上。各个小透镜也可以拥有互不相同的开口形状、口径直径、焦距。聚光透镜42的焦距是fc。聚光透镜42的光轴与光轴13 —致。聚光透镜42被配置在从焦平面46离开了距离fc的地方。
[0114]若平面波光束32入射复眼透镜41，则各小透镜的光点形成于焦平面46上。光点的总数为n个。在光点所聚焦的光束，成为以光点为中心的球面波光束而朝向聚光透镜42。因为焦平面46也是聚光透镜42的焦平面，所以通过聚光透镜42，各球面波光束被转换成平面波光束。但是，因为各球面波光束的光轴从光轴13平行地偏移，所以各平面波光束朝向从聚光透镜42离开了焦距fc的光轴上的点、即朝向聚光透镜42的焦点行进。因此，在聚光透镜42的焦点，与小透镜的个数相同的n条平面波光束以各种各样的入射角度聚焦。包含该焦点的且与光轴13垂直的面，以下称为均匀照明面43。所谓多条平面波以不同的角度照明均匀照明面43，意思是在均匀照明面43上的任意的一点，有角度不同的多条光线入射。这一点在光声振动计100形成高画质且高亮度的实像18上非常重要。关于其理由，在Bragg衍射的说明之中详述。
[0115]在均匀照明面43中，需要具有更大的入射角度(这里的入射角度说的是光轴13与光束的行进方向的夹角)的平面波光束的重叠时，使用更小的F数(F数=焦距/透镜口径)的聚光透镜42。在将对象物4以更大范围进行摄像时，如图2所示，相对于声轴7更倾斜的平面声波生成，而为了生成这样的平面声波形成的Bragg衍射光，需要入射角度更大的平面波光束。因此，通过使用F数小的聚光透镜42，可以在大范围进行对象物4的摄像。
[0116]另外，在均匀照明面43上，需要更多的入射角度不同的平面波重叠时，如图4(b)所示，也可以使复眼透镜多级化。在图4(b)所示的构成例中，均匀照明光学系统31含有:设于聚光透镜42与光束扩展器12之间的复眼透镜44、45。从构成复眼透镜44的I个小透镜的光束，经由复眼透镜45而又得到3条光束。因此，在均匀照明面43中，有构成复眼透镜45的小透镜的个数的3倍的平面波光束以互不相同的角度入射。
[0117]均匀照明光学系统31，除了生成入射角度不同的光束群的作用以外，还作为生成拥有均匀的照度分布的光束的光学系统发挥作用。从光束扩展器12出射的平面波光束32的光束在与光轴13垂直的面中，具有大致以光轴13为中心而拥有旋转对称性的高斯分布状的强度。
[0118]相对于此，在均匀照明面43上，入射构成复眼透镜41的各小透镜的光束被放大而投射。将拥有十分小的口径的小透镜用于复眼透镜时，即使平面波光束32有光强度分布，因为各小透镜的口径小，入射各小透镜的光束仍具有大体均匀的光强度分布。在均匀照明面43中,这样的微小光束被放大而大量重叠。因此,从一个照明光学系统31出射的检测光束14，在均匀照明面43上具有大致均匀的光强度分布。
[0119]还有，越是相对于平面波光束32的光束直径而缩小各小透镜的口径，另外越是使复眼透镜多级化，则在均匀照明面43上照度分布越平坦。还有，照度分布的平坦化，在消除照度不均的实像18的形成中极适合发挥作用。
[0120]如图5所示，在光声振动计100中，按照使均匀照明面43位于声轴7与光轴13的交点的方式配置各构成要素。由此，因为在对象物4上的全部摄像区域生成高亮度、高画质的实像18，所以能够使平面声波9全体以拥有各种入射角度的平面波光束进行照明。如上述，均匀照明面43由拥有各种入射角度的平面波光束照明。因为由全部平面波光束所照明的面积最大的是均匀照明面43，所以通过在声轴7与光轴13的交点配置均匀照明面43，能够以光束直径更小的检测光束14照明平面声波9全体。因此，为了小型地构成使检测光源19，也优选均匀照明面43包含声轴7与光轴13的交点。
[0121]如以下详细说明的，若平面声波9在光声介质部8传播，则在光声介质部8中产生由检测光束14形成的光声介质部8的疏密。由于该疏密,生成由检测光束14的Bragg衍射形成的衍射光201。
[0122](6)图像畸变校正部15[0123]生成的衍射光201，具有反映了平面声波9的强度分布、即焦平面21中的对象物4的弹性特性的二维分布的强度分布。但是，因为衍射光201相对于平面声波9的行进方向、即声轴7倾斜出射，所以强度分布发生畸变。图像畸变校正部15校正衍射光201的畸变。衍射光201的畸变也可以由图像处理部20进行处理。
[0124](7)参照光源23
[0125]参照光源23出射参照光束24,其与在光声介质部8发生的检测光束14所形成的衍射光302 (或衍射光201)重叠。参照光源23，如图6所示，含有快门215、光声调制器214、光束扩展器213、散光板212和聚光透镜211。在衍射光302 (或衍射光201)与参照光束24的重叠中，例如使用分束器22。
[0126]在本实施方式中，平行光束216，是通过将从检测光源19的单色光源11出射的光束分割、且由单模光纤34引导而取得的。通过在单模光纤34的芯端面具有焦点的聚光透镜(未图示)，将所引导的单色光转换成平面波光束。因此，平行光束216是拥有与从单色光源11出射的单色光相同频率的相干性高的平面波光束。
[0127]平行光束216在通过进行光束切换的快门215后入射到光声调制器214。光声调制器214是改变平行光束216中的单色光的频率的(即进行频率调制)光学元件。更具体地说，若将入射到光声调制器214之前的平行光束216的频率设为V，输入到光声调制器214的正弦波信号的频率设为f’则由光声调制器214输出的光束拥有v+f’的频率。作为光声调制器214，能够使用例如由于声波在声传播介质中传播而产生的声传播介质的疏密而光束进行Bragg衍射的光学元件。还有，作为声传播介质，例如使用二氧化碲。
[0128]从光声调制器214出射的经频率调制的平行光束216的光强度，一般很大程度依存于输入到光声调制器214的正弦波信号的频率f’。为了由任意的频率的正弦波信号，生成进行了高强度的频率调制的平行光束216，例如，如图7所示，参照光源23也可以含有多个光声调制器。具体来说，参照光源23含有第一光声调制器221和第二光声调制器222。第一光声调制器221和第二光声调制器222，在输入的正弦波信号的频率为A时，得到最大衍射效率(衍射效率最大时，频率调制的光束的光强度也最大)。向第一光声调制器221和第二光声调制器222分别输入频率4+f’ /2、fff’ /2的信号，并使第一光声调制器221的+1级衍射光入射第二光声调制器222，如此配置第一光声调制器221和第二光声调制器222。例如，以频率f为3MHz至IOMHz左右的声波2观察心壁的运动时，f’与f?为同程度；将二氧化締用于第一光声调制器221和第二光声调制器222的声传播介质时，f0为50MHz至150MHz左右。还有，为了高精度地观察更低速的运动，以使|f’ -f I为IkHz左右的方式选择f’。
[0129]这种情况下，从第二光声调制器222出射的-1级衍射光成为以频率v+f’进行了频率调制的光束。如此，能够得到具有频率v+f’、且高强度的进行了频率调制的平行光束216。还有，即使是颠倒了第一光声调制器221与第二光声调制器222的顺序的构成，也能够得到同样的频率调制的平行光束216。另外，使面向第一光声调制器221和第二光声调制器222的输入信号的频率分别为fQ+A JJc1-A2f(其中，A:f > 0, A2f > 0, AJ+AJ =f’)，也可以生成拥有频率v+f’的高强度的平行光束216。
`[0130]如图6所示，通过光束扩展器213，将调制成频率v+f’的平行光束216转换成光束截面直径大的光束，照射到散光板212上。截面直径大的光束不需要是平面波，例如，也可以使用一片凸透镜或一片凹透镜来代替光束扩展器213。但是,放大后的光束,优选在光束截面中具有大致均匀的照度分布。
[0131]散光板212能够使用磨砂玻璃等。这种情况下，磨砂玻璃的表面粗糙度优选尽可能小的一方。其理由有以下两点。首先，为了使在散光板212发生的散射光，在与光轴217平行的方向上拥有强的光强度。由此，即使以更低强度的平行光束216也能够生成良好的参照光束24。另外，与透过散光板212的参照光束24的光轴217垂直的截面中的光的强度分布被反映为图像接收部17所检测到的对象物4的实像，实像中包含斑纹图样。所谓斑纹图样就是光点与暗点无序分布的二维状的光学像，从散光板212的表面的微小的凹凸的各点生成的散射光重合，发生干涉，从而生成散斑。也可以使用图4(a)等所示的复眼透镜构成的均匀照明光学系统来代替散光板212。使用复眼透镜构成的均匀照明光学系统时，能够防止散斑的发生。
[0132]与单色光源11的出射光束的波长相比，磨砂玻璃的表面粗糙度大时，光点与暗点的大小，主要由聚光透镜211和成像透镜系统16的合成焦距和聚光透镜211的口径直径决定。使合成焦距除以聚光透镜211的口径直径的值越小，光点与暗点的大小越小。在光声振动计100中，为了提高对象物4上的位移速度分布的计测分辨率，至少，图像接收部17的光接收面上的斑纹图样的光点和暗点的大小，优选比图像接收部17的光接收面上的声波形成的图像的分辨率小。因此，优选减小图像接收部17的光接收面上的光点与暗点的大小，优选使用口径直径更大、焦距fe2更短的聚光透镜211。若将合成焦距设为1，口径直径设为d，单色光源11的出射光波长设为X，则图像接收部17的光接收面上的光点和暗点的大小A为1.22XAl/d。因此，以使A为计测分辨率以下的方式，决定聚光透镜211的口径直径d和焦距fc20
[0133]从以调制成频率v+f’的平行光束216照明的散光板212上的各点，生成具有频率v+f’的散射光。在图6所示的参照光源23中，通过使具有焦距fe2的聚光透镜211从散光板212离开距离f；2而配置,使来自散光板212的散射光转换成平面波光束。因为散射光从散光板212上的各点生成，所以从聚光透镜211出射的平面波光束的行进方向与聚光透镜211的光轴217不平行，其角度依据于散射光在散光板212上的生成位置。因此，来自聚光透镜211的出射光束，大量重叠了具有频率v+f’的行进方向不同的单色光的平面波光束。行进方向不同的单色光的平面波光束大量重叠，从参照光源23出射的参照光束24与从检测光源19生成的检测光束14类似。
[0134]还有，图6所示的参照光源23为了使参照光束24通过/切断而具备快门215，也可以使向光声调制器214输入的正弦波信号通过/切断来替代快门215。这种情况下，正弦波信号被输入到光声调制器214期间，参照光源23出射具有频率v+f’的参照光束24 ;正弦波信号停止期间，参照光源23出射频率V的光束。
[0135](8)成像透镜系统16和图像接收部17
[0136]成像透镜系统16将参照光束24重叠的衍射光302会聚到图像接收部17的光接收面。图像接收部17含有二维排列的多个像素(光电转换元件)，二维地检测所会聚的衍射光302并输出电信号。生成的电信号表示对象物4的焦平面21上的弹性特性的二维分布和位移速度分布。通过分析所得到的电信号，能够取得对象物的弹性特性和位移速度的二维分布图像。[0137]2.光声振动计100的运转
[0138]接下来说明光声振动计100的运转。本实施方式的光声振动计100取得:对象物4的声波形成的图像、即反映弹性特性分布的图像；和用于计测对象物4的各部的位移速度分布的图像。以下，说明这两个图像的取得。
[0139](I)声波图像取得时的运转
[0140]首先，说明光声振动计100取得声波图像的运转。还有，如上述，检测光束14由行进方向互不相同的多条平面波光束构成，平面声波9也由行进方向互不相同的多条平面声波构成，但为了使说明简便，在以下的说明中，假定检测光束14只由拥有与光轴13垂直的波阵面的平面波光束构成、另外平面声波9只由与声轴7垂直的平面声波构成。
[0141]如图1所不,检测光束14以相对于声透镜系统6的声轴7而为非垂直且非平行的方式倾斜入射光声介质部8。声轴7与检测光束14的光轴13交叉的角度为90° - 0。即，0表示检测光束14向平面声波9的波阵面的入射角度。如上述，0能够取非垂直且非平行，具体来说，就是取除了 0°、90°、180°、和、270°以外的任意的角度。只有在此角度范围的9下，检测光束14才发生Bragg衍射,生成衍射光201。关于用于产生衍射光201的0的具体的设定方法后述。
[0142]如上述，在光声振动计100中，声波2的发射时刻被准确地控制，在图像接收部17的摄影时刻，平面声波9准确地到达均匀照明面43。具体来说，例如，以Ins的时间精度控制声波2的发射间隔时，声速50m/s的光声介质部8中的平面声波9的位置误差为50nm。该位置误差，在例如作为单色光源11而使用He-Ne激光器时若以He-Ne激光器的波长633nm换算，则相当于0.079波长的位置误差。由此可知，通过声波2的发射时刻的控制，能够在光声介质部8中非常高精度地控制平面声波9的位置。
[0143]检测光束14的位置和平面声波9的位置以上述方式控制时，检测光束14由于平面声波9而进行Bragg衍射的情况示出在图8 (a)中。图8 (a)是模式化地表示平面声波9在检测光束14的光路中通过的瞬间。平面声波9是在光声介质部8中传播的疏密波。因此，在光声介质部8中，生成与平面声波9的声压分布成比例的折射率分布。如上述，因为平面声波9由单一频率的正弦波构成，所以所生成的折射率分布成为以下周期构造，S卩，与声轴7平行的方向的周期等于平面声波9的波长，折射率的大小呈正弦波状变化，在与声轴7垂直的平面平行的方向上拥有一样的折射率分布。这样的周期的折射率分布，对于检测光束14，作为一维衍射光栅发挥功能。因此，检测光束14，若以满足以下所述的衍射条件的角度9入射平面声波9，则生成衍射光201。该一维衍射光栅的光栅面是平面，并且，检测光束14的波阵面是平面，因此衍射光201为平面波光束。
[0144]在本发明的光声振动计100中，声波2由数量比2个周期多得多的正弦波构成。拥有很多光栅面数的一维衍射光栅作为振幅型相位光栅工作，因此产生的衍射是Bragg衍射。在Bragg衍射中，如图8(a)所不,检测光束14与衍射光201相对于平面声波9所构成的角度相等，分别为角度9。角度9是满足以下所述的Bragg衍射条件的离散的值。还有，声波2由2个周期左右的少数的正弦波构成并作为相位型衍射光栅工作时，衍射光201主要通过Raman-Nath衍射生成。在纯粹的Raman-Nath衍射中，检测光束14与衍射光201相对于平面声波9所构成的角度也可以不相等。因为Bragg衍射由Raman-Nath衍射生成高强度的衍射光201，所以在观察声压更小的散射波5上很适合。在本发明的光声振动计100中，使用由大量的正弦波构成的声波2，主要是使用由Bragg衍射生成的衍射光201。还有，在实际的摄像中，因为使用由低于数10波的正弦波构成的声波2，所以在衍射光201中混入有Raman-Nath衍射光。但是,如后述Raman-Nath衍射光向衍射光201的混入,在形成良好的实像18上适当地发挥着作用。
[0145]说明由平面声波9生成的一维衍射光栅的Bragg衍射条件。在图8 (b)中，示出用于说明由平面声波9生成的一维衍射光栅的Bragg衍射条件的模式图。如图8(b)所示，由平面声波9生成的衍射光栅202的光栅间隔,等于光声介质部8中的声波的波长λ a。以检测光束14中的一条单色光光线作为单色光203。另外，将单色光203的波长设为λO。单色光203入射衍射光栅202时,在各光栅中生成微弱的散射光。若着眼于来自相邻的光栅面的散射光，则在各光栅面朝相同方向散射的2条光线的光路长度差(2X λ aX sin θ)等于波长Ao的整数倍(mX A0、m=±l、±2、…)时，2个散射光互相增强。此互相增强也在其他的光栅面发生，因此整体上产生高强度的散射光，即衍射光。基于以上的理由，衍射光出现的角度9为式(1)。
[0146]【算式1】
【权利要求】
1.一种光声振动计，其特征在于，具备: 声波源； 声透镜系统，其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态； 光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置； 检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部； 参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的平行的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠； 成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚； 图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。
2.根据权利要求1所述的光声振动计，其中， 所述检测光束和所述参照光束的振动数互不相同。
3.根据权利要求1所述的光声振动计，其中， 所述参照光源含有至少一个光声调制器。
4.根据权利要求3所述的光声振动计，其中， 所述参照光源含有散光板。
5.根据权利要求1所述的光声振动计,其中， 所述参照光源含有复眼透镜。
6.根据权利要求1所述的光声振动计,其中， 具备含有所述成像透镜和所述图像接收部的光学系统两组。
7.根据权利要求6所述的光声振动计，其中， 所述参照光源含有偏光板。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光声振动计，其中， 所述图像接收部是:具有二维配置的多个像素的二维图像传感器。
9.根据权利要求2所述的光声振动计，其中， 还具备图像处理部，该图像处理部基于所述电信号来检测由所述图像接收部的所述各像素检测到的光的量的时间变化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光声振动计，其中， 所述参照光源含有:控制所述参照光束的出射时刻的快门。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光声振动计，其中， 具备至少3个所述声波源。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光声振动计，其中， 还具备图像畸变校正部，该图像畸变校正部对由所述衍射光和所述电信号表示的所述对象物的像的至少一方的畸变进行校正。
13.根据权利要求11所述的光声振动计,其中， 所述图像畸变校正部含有:使所述衍射光的截面放大的光学构件。
14.根据权利要求11所述的光声振动计,其中， 所述图像畸变校正部含有:使 所述衍射光的截面缩小的光学构件。
15.根据权利要求13或14所述的光声振动计，其中， 所述光学构件含有变形棱镜。
16.根据权利要求13或14所述的光声振动计，其中， 所述成像透镜和所述光学构件的至少一方含有:至少一个柱面透镜。
17.根据权利要求12所述的光声振动计，其中， 所述图像畸变校正部基于所述电信号对由所述电信号表示的所述对象物的图像的畸变进行校正。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光声振动计，其中， 各单色光的光谱宽度低于10nm，所述单色光是拥有在所述单色光的中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的光声振动计，其中， 所述检测光源含有至少一个复眼透镜。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的光声振动计，其中， 所述声透镜系统含有: 折射型声透镜和反射型声透镜的至少一方。
21.根据权利要求20所述的光声振动计，其中， 所述声透镜系统含有:从二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和聚苯乙烯中所选择的声兀件至少一个。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的光声振动计，其中， 所述声透镜系统含有:焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方。
23.根据权利要求1至21中任一项所述的光声振动计，其中， 所述成像透镜系统含有:焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的光声振动计，其中， 所述光声介质部含有:二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和水的至少一个。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的光声振动计，其中， 从所述检测光源出射的检测光束的光轴，相对于所述声透镜的声轴能够调整。
【文档编号】A61B8/08GK103635784SQ201380001933
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年5月14日 优先权日:2012年5月15日
【发明者】寒川潮, 岩本卓也, 金子由利子, 釜井孝浩, 桥本雅彦 申请人:松下电器产业株式会社