光声摄像系统和光声摄像装置制造方法

光声摄像系统和光声摄像装置制造方法
【专利摘要】光声摄像系统，具备如下：超声波波源(1)，其用于将由具有按预定的时间间隔重复的时间波形的声音信号所构成的超声波照射到被摄物体(4)上；声透镜(6)，其按照接收被照射到被摄物体(4)上的超声波(2)的散射波的方式配置，且将所述散射波转换成平面波；透光性声介质(8)，其在相对于声透镜(6)为被摄物体(4)的相反侧的区域的、且包含声透镜(6)的光轴(7)的区域设置；光源(11)，其出射单色光平面波，且按照使单色光平面波的行进方向与声透镜(6)的光轴(7)以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透镜(16)，其按照使在透光性声介质(8)中发生的单色光平面波的衍射光(201)会聚的方式配置；图像接收部(17)，其将由成像透镜(16)成像的光学像(18)作为图像信息取得；畸变校正部(15)，其对光学像(18)的畸变、或由所述图像信息所生成的图像的畸变进行校正。
【专利说明】光声摄像系统和光声摄像装置
【技术领域】
[0001]本申请涉及光声摄像系统，其通过将超声波照射到被摄物体上，将被摄物体所散射的超声波导入光声介质而在光声介质中形成折射率分布，在由此发生的Bragg衍射(也称布拉格衍射)的使用下将散射超声波的强度/相位分布转印给单色光的强度/相位分布，从而将超声波图像作为光学图像进行摄像。
【背景技术】
[0002]作为将超声波照射到被摄物体上、且利用来自被摄物体的散射波而生成光学图像的装置，已知有超声波诊断装置。例如，在专利文献I中，公开有一种超声波诊断装置的一例。
[0003]图13是表示专利文献I所述的超声波诊断装置的摄像原理的图。图13所示的超声波诊断装置，具备相同形状、相同特性的矩形振子Tl?T15。矩形振子Tl?T15构成为，可以通过振动进行超声波的发送和接收。在图13所示的例子中，矩形振子Tl?T15以一维状排列。
[0004]矩形振子Tl?T15分别接收超声波时，分别各自输出接收信号。这些接收信号通过信号处理电路(未图示)被延迟合成。
[0005]所谓延迟合成，是指将从矩形振子Ti (i = 1、…、15)输出的接收信号设为Si(t)(i = 1、…、15)时，将合成信号 S = Al X SI (t+tl) +A2X S2 (t+t2) +— +A15X S15 (t+tl5)生成。在此，t表示时间，ti (i = 1、…、15)表示时间的偏离(延迟时间)，Ai(i = 1、…、15)表示加权。延迟合成就是将从各矩形振子输出的接收信号在使时间错开下授予适当的加权而进行加法运算处理的信号合成法。
[0006]图13所示的超声波诊断装置，能够对被摄物体的超声波图像进行摄像。以下，以在点a2发生脉冲状球面波的情况为例，说明超声波图像的摄像原理。将在点a2发生的球面波到达矩形振子T5 (最靠近点a2的矩形振子)的时刻作为基准，其他的矩形振子Ti按τ i ( τ i > O)时间延迟输出脉冲状的时间信号。上述的延迟合成在ti = τ i(i = 1、…、15)下进行时，由各矩形振子的输出信号生成的延迟信号Si(t+ti)，全部在同时刻拥有脉冲状的时间信号。其结果是，延迟合成后的信号成为大的脉冲状的时间信号。
[0007]在此，考虑从其他点al也有脉冲状球面波到达的情况。就在点al发生的脉冲状球面波所对应的输出信号而言，在延迟合成时，在来自各矩形振子的延迟信号Si(t+ti)中不会同时刻出现。因此，在延迟合成的信号中，来自点al的球面波信号的输出相对地小。
[0008]S卩，就图13所示的超声波诊断装置而言，通过延迟合成处理，仅来自点a2的超声波信号拥有高灵敏度，来自其他点的超声波信号几乎观测不到。通过这一特性的应用，如果以对于图13所示的来自期望的点的球面波拥有高灵敏度的方式设定延迟时间ti(i =
1、…、15)、且按延迟时间的设定反复进行延迟合成，则能够扑捉来自各点的球面波强度，能够拍摄超声波图像。
[0009]先行技术文献[0010]专利文献
[0011]专利文献1:特开昭54-34580号公报
[0012]根据图13所示的超声波诊断装置，可以进行灵活的摄像。但是，在该超声波诊断装置中，为了对一张超声波图像进行摄像，需要进行多次信号处理(延迟合成)。需要的信号处理的次数，至少相当于图像的像素数。因此，为了高速超声波摄像，需要拥有高速且大规模的运算电路的信号处理电路。另外，为了取得像素数多、空间分辨率高的图像，需要发送/接收特性相互统一的大量的超声波振子。但是，这样的振子群的构筑极其困难。

【发明内容】

[0013]本申请的非限定性例示的实施方式，提供一种即使不具备大规模的运算电路、也能够高速获得图像的光声摄像系统。
[0014]本发明的光声摄像系统，具备:超声波波源，其用于将由具有按照预定的时间间隔重复的时间波形的声音信号所构成的超声波照射到被摄物体上；声透镜，其按照接收被照射到所述被摄物体上的所述超声波的散射波的方式配置；透光性声介质，其在相对于所述声透镜为所述被摄物体的相反侧的区域的、且包含所述声透镜的光轴的区域配置；光源，其出射单色光平面波，且按照使所述单色光平面波的行进方向与所述声透镜的光轴以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透镜，其按照使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光会聚的方式配置；图像接收部，其将由所述成像透镜形成的光学像作为图像信息取得；畸变校正部，其对所述光学像的畸变、或由所述图像信息生成的图像的畸变进行校正。
[0015]根据本申请的一个形态的光声摄像系统，能够通过使用超声波，对被摄物体进行闻速拍摄。
【专利附图】

【附图说明】
`[0016]图1是表不实施方式I的光声摄像系统的构成的概略结构图。
[0017]图2(a)是表不在实施方式I的光声摄像系统中，平面波光束14因平面波9而发生Bragg衍射的情况的说明图，(b)是用于说明一维衍射光栅的Bragg衍射条件的模式图，(C)是用于说明通过Bragg衍射而使超声波波阵面被转印给衍射光光束的模式图。
[0018]图3(a)是表示在实施方式I的光声摄像系统中，衍射光201单方向畸变的说明图，(b)是用于说明实施方式I的光声摄像系统的作为畸变校正部15适用的变形棱镜的作用的模式图。
[0019]图4是用于说明构成变形棱镜的楔形棱镜的作用的模式图。
[0020]图5(a)是用于说明光学领域的双衍射光学系统的工作运行的概略结构图，(b)是表示实施方式I的光声摄像系统中的作为光声混合型光学系统的双衍射光学系统的构成的概略图。
[0021]图6是表示构成实施方式I的光声摄像系统的具体的构成的概略图。
[0022]图7(a)是表示实施方式I的光声摄像系统中的平面波光束14的入射方向的概略结构图，(b)是表示实施方式I的光声摄像系统中的平面波光束14的其他可入射方向的概略结构图。[0023]图8是表示实施方式2的光声摄像系统中的声透镜6的构成的概略图。
[0024]图9是表示实施方式3的光声摄像系统的畸变校正部15的构成例的概略图。
[0025]图10(a)和(b)是表示实施方式4的光声摄像系统的畸变校正部15的构成例的概略图。
[0026]图11是表不实施方式5的光声摄像系统的构成的概略结构图。
[0027]图12(a)是表不实施方式6的光声摄像系统600的畸变校正部15的概略结构的图，(b)模式化地表示校正用试料。(C)模式化地表示畸变校正前所拍摄的校正用试料的图像，(d)模式化地表示畸变校正后的校正用试料的图像。
[0028]图13是表示专利文献I所述的现有的超声波诊断装置的摄像原理的模式图。
[0029]图14是表示非专利文献I所述的现有的Bragg imaging的装置构成的模式图。
【具体实施方式】
[0030]本申请
【发明者】，对于即使不具备大规模的运算电路也能够通过超声波的使用而高速地取得图像的摄像装置进行了研究。其结果想到了:利用作为超声波和光的相互作用的声光效果来取得图像。具体来说，想到了将超声波散射波拥有的被摄像物体的信息转印给光波，将超声波图像作为光学的图像加以摄像。作这可以适用于这一目的的现有技术，有被称为Bragg imaging的技术(例如，参照A.Korpel,“Visualization of the cross sectionof a sound beam by Bragg diffraction of light， " Applied Physics Letters，vol.9.n0.12，pp.425-427，15 Dec.1966。以下，称为非专利文献 I)。
[0031]图14是表示利用.非专利文献I所述的现有的Bragg imaging的摄像装置的装置结构的图。在图14中，从激光光源1101出射的单色光光束，被光束扩展器1102和光阑1103转换成粗的平面波光束。在光束的光路上，配置有3个柱面透镜1104(a)、1104(b)、1104 (c)。图14所示的光学系统，具有相对于图14纸面水平/垂直方向而非对称的构造。因此，光学系统拥有像散，为了在相对于图14纸面而水平垂直两个方向且在屏幕1105上的I点成像，光学系统由柱面透镜1104(a)、1104(b)、1104(c)构成。
[0032]就柱面透镜1104(a)而言，以平面波光束在纸面水平面且在焦平面(含有焦点、且以光轴作为法线的平面)1106上聚焦的方式设定焦距。通过焦平面1106的光束，在焦平面1106的后方发散，但该发散光束被柱面透镜1104(b)会聚而在屏幕1105上再度聚焦。在包含光轴且与图14纸面垂直的面内，放大光学系统1102通过后的光束以平行光束的状态入射柱面透镜1104(c)。然后，在柱面透镜1104(c)的聚光作用下在屏幕1105上聚焦。还有，各柱面透镜1104的铺设位置和焦距，其设定方式为，不仅使图14的水平垂直方向的光束在屏幕1105上成像，而且使图14的水平垂直方向的图像的放大率(被摄物体1109的大小/在屏幕1105上的像的大小)相等。
[0033]在图14所示的装置构成中，被摄物体1109被浸溃在由水1107充满的声池室1108中。经由水1107，从由信号源1110驱动的超声波振子1111发生的单色的(单一频率的)超声波平面波，被照射到被摄物体1109上。这时，在被摄物体1109中生成超声波散射波。散射波在从激光光源1101出射的单色光的水1107中的通过区域传播。在水中传播的超声波的主要的波导模式是疏密波(纵波)，因此，与水1107中的声压分布、即与超声波波阵面一致的折射率分布在水中生成。在此，为了使论述简单，首先，假定来自被摄物体1109的超声波散射波，为在图14中朝向上方的平面波。由于超声波散射波是单色超声波,所以在某一瞬间在水1107中生成的折射率分布，成为以超声波波长而重复的正弦波状的一维光栅。因此，通过该一维光栅，衍射光生成。还有，在图14中为了简单，仅图示了 ±1级衍射光束。一般来说，衍射光由Bragg衍射光和Raman-Nath衍射光构成。图14所示的装置,在Bragg衍射光为主要的衍射光的条件下适用。这种情况下，所生成的衍射光仅成为O级和土 I级衍射光。衍射光在屏幕1105上作为光点呈现。光点的亮度，与一维光栅的折射率的变化量、即超声波的声压成正比。
[0034]在此，考虑先前假定的“超声波散射波是平面波”这样的前提条件得以缓和。SP，考察一般的超声波散射波的情况(波阵面不是平面时)。一般的超声波散射波，能够作为从各个方向到来的平面波(在上述的例子中，全部的平面波拥有相同频率)的叠加而加以表现。因此，在一般的超声波散射波中所展开的各平面波形成的衍射光的光点也出现在屏幕1105上。各光点的强度与各平面波的振幅的大小成正比，另外，各光点的在屏幕1105上的出现位置，由各平面波的行进方向决定。因此，被摄物体1109的像作为I级衍射像1112(a)和-1级衍射像1112(b)显示在屏幕1105上。
[0035]以上，是利用非专利文献I所述的现有的Bragg imaging,用于对超声波图像进行光学摄像的操作。
[0036]由Bragg imaging进行的图像形成,与通常的光学式照相机一样,利用聚光光学系统的光学像形成作用进行，因此根本不需要以上所引用的专利文献I所适用的接收器群、和从接收器群输出的接收信号群所对应的信号处理手段。因此，就Bragg imaging而言，在装置构成上，不需要高速且大规模的运算电路、和发送/接收特性相互一致的大量的超声波振子，因此能够解决上述的专利文献I的课题。
[0037]如上述,虽然 Bragg imaging在很多点上具有有利之处,但是却具有以下这样的课题。即，在如下几点上具有课题:难以实现良好的成像特性(波动光学上所期待的由超声波波长决定的分辨率)这一点；装置必须大型化这一点；以及可拍摄的被摄物体存在限制这一点。
[0038]在图14中，被摄物体1109的像是土 I级衍射像1112 (a)、1112 (b)，但± I级衍射像1112(a)、1112(b)在从图14的光学轴大幅地远离下形成。通常，就成像光学系统而言，越离开光学轴，便拥有越大的轴外像差，因此在离开光轴的像面(像形成的平面)，形成良好的像变得困难。因此，在图13所示的光学系统构成中，轴外像差造成的像的恶化发生。
[0039]另外，在图14所示的构成中，作为超声波的传播介质而使用水1107。在水中，因为超声波的传播速度比较快(约1500m/s)，所以在使用非专利文献I所述的22MHz这样的高频率的超声波时，其波长也变成大约68 μ m。因此，作为激光光源1101适用非专利文献I所述的波长633nm的激光器时，土 I级衍射像1112 (a)、1112 (b)的衍射角极小(约0.27° )。因此，为了使图14中的水平和垂直方向的图像的放大率相等，而需要用于对水平/垂直分别进行焦距和放大率调整的由柱面透镜构成的特殊的光学系统。另外，需要使屏幕1105和声池室1108之间的距离(数m左右)大幅地分离开，装置大型化这样的课题也存在。此外，在图14所示的构成中，需要将被摄物体1109封入被水1107充满的密闭容器中，因此例如专利文献I的超声波诊断装置这样的简便摄像是困难的。
[0040]本
【发明者】鉴于这些课题，想到了一种能够实现小型的光声摄像系统的新的光声摄像系统，其使像差少且在像面上均匀并具有高分辨率的光学像形成成为可能，不需要将被摄物体封入由水充满的密闭容器中。本发明的一个形态的概要如下。
[0041]本发明的一个方式的光声摄像系统，其具备:超声波波源，其用于将由具有按预定的时间间隔重复的时间波形的声音信号所构成的超声波照射到被摄物体上；声透镜，其按照接收被照射到所述被摄物体上的所述超声波的散射波的方式配置，且将所述散射波转换成平面波；透光性声介质，其在相对于所述声透镜为所述被摄物体的相反侧的区域的、且包含所述声透镜的光轴的区域配置；光源，其出射单色光平面波，且按照使所述单色光平面波的行进方向和所述声透镜的光轴以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透镜，其按照使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光会聚的方式配置；图像接收部，其将由所述成像透镜形成的光学像作为图像信息取得；畸变校正部，其对所述光学像的畸变、或由所述图像信息所生成的图像的畸变进行校正。
[0042]所述超声波是以正弦波为载波的声音信号。
[0043]所述超声波具有脉冲状的时间波形，所述时间波形的持续时间是载波频率的倒数以上。
[0044]在有的实施方式中，所述声透镜具有焦点调整机构。
[0045]所述声透镜是折射型的声透镜。
[0046]所述声透镜由二氧化硅纳米多孔体构成。
[0047]所述声透镜是反射型的声透镜。
[0048]所述声透镜是卡塞格伦(Cassegrain)型的声透镜。
[0049]所述透光性声介质是二氧化硅纳米多孔体。
[0050]在有的实施方式中，所述畸变校正部具有使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光的光束的截面积放大或缩小的光学系统，且通过所述光学系统对所述光学像的畸变进行校正。
[0051]所述光学系统包含变形棱镜。
[0052]所述畸变校正部中的所述光学系统，配置在所述透光性声介质和所述成像透镜之间。
[0053]所述畸变校正部将由所述图像接收部取得的所述图像信息所生成的图像的畸变通过图像处理加以校正。
[0054]所述光声摄像系统还具备角度调整部，该角度调整部按照从所述光源出射的所述单色光平面波的行进方向相对于所述声透镜的光轴所形成的角度、与所述单色光平面波的衍射光的行进方向相对于所述声透镜的光轴所形成的角度相等的方式，调整所述光源的位置。
[0055]基于所述图像信息，对所述光学像的畸变、或由所述图像信息所生成的图像的畸变进行校正。
[0056]另外，本发明的一个方式的光声摄像装置，具备:声透镜，其按照接收被照射到被摄物体上的超声波的散射波的方式配置；透光性声介质，其在相对于所述声透镜为所述被摄物体的相反侧的区域的、且包含所述声透镜的光轴的区域设置；光源，其出射单色光平面波，且按照使所述单色光平面波的行进方向和所述声透镜的光轴以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透镜，其按照使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光会聚的方式配置；图像接收部，其将由所述成像透镜形成的光学像作为图像信息取得。
[0057]以下，一边参照附图，一边说明本发明的实施方式。
[0058](实施方式I)
[0059]首先，说明本发明的第一实施方式。
[0060]图1是模式化地表示本发明的第一实施方式的光声摄像系统100的构成的图。光声摄像系统100具备超声波波源1、光声介质8、在光声介质8的被摄物体4侧一面所配置的声透镜6、在光声介质8的与配置有声透镜6的面对置的面上所配置的声波吸收端10、单色光光源11、光束扩展器12、畸变校正部15、成像透镜16和图像接收部17。还有，图1所示的被摄物体4和像18，不是光声摄像系统100的构成要素，为了说明方便而图示。
[0061]超声波波源1、声透镜6、光声介质8的一部分和被摄物体4,被配置在超声波能够传播的介质3中。介质3例如是空气、水等。还有，身体组织也是超声波可以传播的介质3的适合的例子之一。对身体组织内进行拍摄时，与现有的超声波诊断装置所用的探针一样，超声波波源I和声透镜6以与介质3接触的方式配置。
[0062]就光声摄像系统100而言，通过使用超声波，对被摄物体4的图像进行摄像。以下，说明光声摄像系统100的各构成要素。
[0063]<超声波波源1>
[0064]就超声波波源I而言，将由多个相同正弦波形构成的脉冲状超声波2照射到被摄物体4上。所谓由多个相同正弦波形构成的脉冲状超声波2，意思是拥有使振幅和频率一定的正弦波形以一定时间保持连续的`时间波形的超声波。如此，本实施方式所使用的超声波波源，出射以正弦波为载波的声音信号。在此，脉冲状超声波2的时间波形的持续时间,优选设定在载波频率的倒数(周期)以上。脉冲状超声波2也可以不是平面波。
[0065]就脉冲状超声波2而言，以大体上均匀的照度照射被摄物体4的想要摄像的区域。为了以大致均匀的照度照射被摄物体4，本实施方式的脉冲状超声波2，是具有光束截面至少比光声摄像系统100的可摄像区域大的超声波波束。在此，所谓“以大致均匀的照度进行照射”，意思是对于光声摄像系统100的设计者预想的摄像区域施加均一的声压而进行照射。所谓摄像区域，是指声透镜6的物体侧焦点的邻近区域。例如，摄像区域是焦点邻域的半径IOmm的区域时，焦平面邻域的半径IOmm的区域被均匀照射即可。
[0066]若脉冲状超声波2照射到被摄物体4上，则生成拥有与脉冲状超声波2相同频率的散射波5。还有，散射波5当然也是超声波。
[0067]<声透镜6>
[0068]声透镜6以使超声波聚集的方式构成。声透镜6在介质3中具有焦距f。就声透镜6而言，例如按照将加工成光学透镜状的超声波的传播损失少的弹性体、和将在声阻抗与介质3大不相同的物质(金属和玻璃等)的表面如光学领域的反射镜一样光滑地加工下的超声波所对应的多个反射面加以组合的方式构成。
[0069]为了使论述简单，假定被摄物体4位于声透镜6的焦点邻域。S卩，声透镜6和被摄物体4的距离，大约为焦距f。还有，在实际的拍摄现场，被摄物体4和声透镜6的距离可以不必与焦距f严格一致。被摄物体4和声透镜6的距离可以相对于焦距f发生某程度的偏离，依存于摄像所要求的分辨率。[0070]其次，着眼于脉冲状超声波2照射到被摄物体4上而发生的散射波5。散射波5在声透镜6的焦点位置(被摄物体4的位置)发生，是以焦点为中心的球面波。散射波5通过声透镜6而发生折射，被转换成在光声介质8中沿着与光轴7平行的方向传播的平面波
9。因为被摄物体4被脉冲状超声波2照射，所以平面波9如图1所示这样变成脉冲状的平面波的波束。在本说明书中，如上述这样将通过折射而使入射的超声波转换成平面波的波束的声透镜称为“折射型”。另外，将声透镜6接收散射波5的面作为第一面，其他的面也表述为第二面。声透镜6也可以具有多个第二面。
[0071]〈光声介质8>
[0072]光声介质8是透光性的声介质。在光声介质8中，平面波9传播。光声介质8与声透镜6的第二面被接触配置。即，被配置在声透镜8具有的、让散射波8入射的面以外的面。换言之，将光声介质8配置在相对于声透镜6而为被摄物体4的相反侧的区域。另外，在光声介质8中，也入射后述的平面波光束14。光声介质8,例如由二氧化娃干燥凝胶形成的多孔体、水、光学玻璃等构成。即，只要是可以传播疏密声音信号、并且来自单色光光源11的出射光可以透过的各向同性的介质即可。还有，由光声摄像系统100取得高分辨率的图像时，作为光声介质8，优选尽可能使用低声速的介质。
[0073]在光声介质8的相对的端面，配置有声透镜6和声波吸收端10。由声透镜6转换的平面波9，入射到光声介质8并在其内部传播。传播的平面波9，在配置于光声介质8的端面的声波吸收端10中不发生反射，而是被吸收。还有，为了防止平面波9的反射，优选如本实施方式这样设置声波吸收端10，但也可以不设声波吸收端10而构成本系统。
[0074]在光声介质8、声透镜6和声波吸收端10的构成要素间,优选设置声匹配层,使这3个构成要素接触。通过设置声匹配层，能够抑制在3个构成要素的端面发生的反射波的影响。因为在声透镜6的折射面发生的反射波招致透射光的减少，所以成为使像18的亮度降低的要因。另外，在声透镜6的折射面、声波吸收端10与光声介质8的界面、及光声介质8的没有与声波吸收端10相接 的端面所发生的反射波，也成为使像18的画质降低的要因。这些反射波，相当于光学领域中的杂散光，不参与成像。这些反射波的增加，引起图像的S/N比的降低、对比度的降低和被摄物体4的像以外的像的重叠(重影)。这些反射波之中主要的成分，是在声透镜6的折射面发生的成分、及在光声介质8的与声波吸收端10相接的面发生的成分。因此，优选在上述3个构成要素间设置声匹配层，抑制这3个构成要素形成的反射波的发生。
[0075]〈单色光光源11>
[0076]单色光光源11生成相干性高的光束。在此所谓“相干性高的光束”，意思是波长、行进方向和相位相互统一的光子群所构成的光束。单色光光源11朝向光声介质8照射光束。
[0077]在单色光光源11和光声介质8之间，配置有光束扩展器12。由单色光光源11出射的光束，通过光束扩展器12，被整形为平面波光束14。光束扩展器，按照使平面波光束14对于光声介质8中的平面波9的传播区域进行充分均匀地照射的方式，放大从单色光光源11出射的光束。为了将被摄物体4的整体作为图像加以捕捉，优选光束扩展器12其构成方式为，使图1所示的平面波9的I个波阵面整体得以均匀地照射。
[0078]通过以上的构成，平面波光束14入射到光声介质8。单色光光源11的光轴13与光声介质8的光轴7交叉。光轴7和光轴13的交叉角度是(90° -Θ)。在此，Θ表示平面波光束14的行进方向与平面波9的波阵面的夹角。还有，Θ能够采用除去O度、90度、180度和270度的任意的角度。这是由于，只要Θ在O度、90度、180度和270度以外的角度下，平面波光束14就发生Bragg衍射，生成衍射光201。
[0079]光声介质8如上述对于单色光光源11的出射光束具有透光性。平面波光束14在入射到光声介质8后与平面波9接触。与平面波9接触的平面波光束14，分离成直接透射的光和衍射光201。
[0080]<平面波光束14的举动>
[0081]接着，一边参照图2，一边说明平面波光束14照射了平面波9时的平面波光束14的举动。
[0082]图2 (a)是表示在光声摄像系统100中，平面波光束14经由平面波9而发生Bragg衍射的情况的图。在图2(a)中，表示平面波9在平面波光束14中通过的瞬间的情况。作为超声波的平面波9,是在光声介质8中传播的疏密波。即，在光声介质8中，生成与平面波9的声压分布一致的折射率分布。在本实施方式中，因为平面波9拥有单一频率，所以折射率分布的周期与平面波9的波长相等。光声介质8是沿着光轴7的方向呈正弦波状变化、且在与以光轴7为法线的平面平行的方向上具有均一的折射率的一维光栅。该一维光栅作为衍射光栅起作用，因此平面波光束14在光声介质8传播时，产生衍射光201。还有，一维光栅的栅格面是平面，并且，平面波光束14的波阵面是平面时，衍射光201为平面波。如图2(a)所示，平面波光束14和衍射光201相对于以光轴7为法线的平面所形成的夹角相等，均为角度Θ。角度Θ是满足以下阐述的Bragg衍射条件的离散的值。
[0083]图2(b)是用于说明一维衍射光栅的Bragg衍射条件的模式图。如图2(b)所示，由平面波9生成的衍射光栅202的栅格间隔，与光声介质8中的超声波传播波长λ a相等。拥有波长λ ο的单色光203入射.到衍射光栅202时,在各栅格中生成微弱的散射光。若着眼于来自相邻的2个栅格面的散射光,贝U由各栅格向同方向散射的2条光线的光路长度差(2X λ aX sin θ )与波长λ ο的整数倍(mX λ 0, m = ±1、±2、…)相等时,2条散射光相互加强。此互相加强在其他的栅格面也发生，因此整体上发生高强度的散射光，即衍射光发生。
[0084]据此相互加强的条件，衍射光出现的角度Θ由以下的式I表示。
[0085](算式I)
[0086]Θ = Arcsin (m λ ο/2 λ a), (m = ± 1、±2,…)(式 I)
[0087]在此，Arcsin表示反正弦函数。式I所表示的条件是Bragg衍射条件。
[0088]级数m越小，越成为高强度的衍射光201，因此作为光声摄像系统100，优选使用m=±1的衍射光201。
[0089]图2 (C)是用于说明通过Bragg衍射而超声波波阵面被转印给衍射光光束的模式图。一边参照图2 (C)，一边说明平面波9在波阵面面内拥有声压分布时的衍射光201的举动。在此，假定平面波9的波阵面为平面。如图2(c)所示，平面波9在波阵面面内具有不均一的声压分布。此非均一性反映了来自被摄物体4的散射超声波的强度分布的非均一性。平面波9的声压与光声介质8的折射率变化成正比。衍射光201的振幅(光强度的1/2次方)与折射率变化的大小成正比，因此衍射光201的振幅分布与平面波9的声压分布成正t匕。因此，在图2(c)所示的状况下，具有均匀的光强度的平面波光束14的衍射光201，变成被转印了平面波9的声压分布的平面波。在此所谓“转印”，意思是衍射光201具有与平面波9的声压分布所对应的光强度分布。即，平面波9拥有的波动光学的信息，全部在衍射光201上延续。
[0090]<畸变校正部15>
[0091]接下来，说明本实施方式的畸变校正部15。
[0092]图3(a)是模式化地表示在光声摄像系统100中衍射光201朝向单方向畸变的图。如图3(a)所示，平面波光束14对于平面波9倾斜入射。因此，衍射光201沿着与图3(a)纸面平行、且相对于衍射光201的传播方向垂直的方向发生畸变。即，沿着图3(a)所示的x-y平面中的y轴方向，衍射光201畸变。
[0093]在此,将平面波9的射束形状设为直径L的圆形，Bragg衍射角设为Θ。衍射光201的射束形状即为在y轴方向上拥有短径LX sin0、在x轴方向上拥有长径L的椭圆形。
[0094]在光声摄像系统100中，衍射光201的畸变，引起图1所示的像18的畸变。因此，在本实施方式中，通过图1所示的畸变校正部15，对衍射光201的畸变进行。本实施方式的畸变校正部15，由变形棱镜301构成。
[0095]图3 (b)是模式化地表示作为本实施方式的畸变校正部15所使用的变形棱镜301的作用的图。如图3(b)所示，变形棱镜301由2个楔形棱镜构成。
[0096]图4是表示I个楔形棱镜的示例的图。此楔形棱镜由折射率η的玻璃材构成。楔形棱镜的2个折射面的法 线，均与图4的纸面平行。将2个折射面的夹角设为α。与图4的纸面平行的光束，入射到该楔形棱镜时，与图4的纸面平行的光束从楔形棱镜出射。即，图4表示沿着楔形棱镜的2个折射面的法线所决定的平面入射的光束的情况。
[0097]将这样的光束对于第一折射面的入射角设为Θ 1，从第一折射面的出射角设为Θ 2，从第二折射面的出射角设为Θ3。另外，在图4中，将朝向第一折射面入射的光束的宽度设为Lin，从第二折射面出射的光束的宽度设为Lout。这时，如果提供Θ 1、α、η，则Θ 2、Θ 3由下式2求得。
[0098](算式2)
[0099]sin Θ I = η X sin θ 2
[0100]ηΧ sin ( α - θ 2) = sin θ 3 (式 2)
[0101]如图4所不,入射光的光束直径与从楔形棱镜的出射光的光束直径不同。以Lout/Lin计算的光束放大率由下式3表示。
[0102][算式3]
[0103]=式 3)
Lin y n +(?r-1)
[0104]由式3可知，期望的光束放大率，通过决定楔形棱镜的α、1!和入射角Θ I来实现。
[0105]再次参照图3(b)。变形棱镜301，通过组合一个以上图4所示的楔形棱镜而被构成。还有，如图3(b)所示，如果使用2个相同的楔形棱镜，则能够使对于变形棱镜301的入射光和出射光的方向平行，具有光学系统的调整容易进行这样的优点。另外，使各楔形棱镜的折射面的法线与图3(b)的纸面平行而配置时，变形棱镜301对于衍射光201的畸变的矫正效果高的优点存在。畸变校正部15不限于上述的示例，只要是仅在与包含图1所示的光轴7和光轴13的平面平行的方向上放大衍射光201的光束直径的光学系统，则哪一种光学系统都可以。
[0106]如图3(b)所不,关于衍射光201的畸变方向，通过变形棱镜301,光束直径被放大至l/sin0倍。由此，能够校正有关与图3(b)纸面平行的方向的像的畸变，得到具有直径L的圆形的光束截面的衍射光302。畸变校正后的衍射光302是单色光，具有波长比作为超声波的平面波9短得多的差异点，但平面波9的波阵面状况全部在畸变校正后的衍射光302的波阵面上得到再现。
[0107]如图1所示，畸变校正后的衍射光302，由拥有焦距F的成像透镜16聚光。因为畸变校正后的衍射光302是平行光束，所以被会聚到成像透镜16的焦点。在成像透镜16的焦点位置设有图像接收部17。就图像接收部17而言，代表性的是CCD和CMOS等的固体摄像元件，将成像透镜16的焦点邻域的光强度分布作为光学的图像进行摄像，并转换成电信号。还有，图像接收部17只要能够将在其摄像面所形成的光学像作为图像信息加以捕捉，则不限于固体摄像素子，例如也可以是照片用胶片。
[0108]作为图像接收部17使用固体摄像元件时，光声摄像系统100也可以还具备如下:接收从图像接收部17输出的作为图像信息的电信号，实施图像处理的图像处理部20 ;接收由图像处理部2进行了图像处理的图像信号，显示所拍摄的图像的显示部21。
[0109]接着，一边参照图5，一边说明该成像透镜16的焦点邻域的光强度分布是与被摄物体4相似的像18。
[0110]图5(a)是表示用于说明光学领域的双衍射光学系统的工作运行的概略结构的图。图5(a)表示，由分别具有焦距f和F的2个光学透镜403、404构成的光学系统。2个透镜相互按间隔f+F分离开，两透镜的光轴一致。根据傅立叶光学，I个聚光透镜的2个焦点彼此处于傅立叶转换的关系。因此，透镜403形成的物体401的傅立叶转换像，被形成于另一方的作为焦平面(含焦点、且以光轴为法线的平面)的傅立叶变换面402上。另外，由于傅立叶变换面402也是透镜404`的焦平面，所以在傅立叶变换面402上形成的物体401的傅立叶转换像的傅立叶转换像，被形成于透镜404的另一方的焦平面上。S卩，在透镜404的另一方的焦平面上所形成的光学像，相当于是对物体401进行了两次傅立叶转换的。不过，物体401的两次傅立叶转换像(像405)成为与物体401相似的图形。更准确地说，像405作为物体401的反转像被呈现在透镜404的焦平面上，其大小为物体401的F/f倍。S卩，在此光学系统中，与物体401相似的光学图像作为像405出现，如果将CCD等的摄像元件设置在透镜404的图5(a)右侧的焦平面上，则可以进行物体401的摄像。
[0111]本实施方式的光声摄像系统100形成的光声混合型光学系统,基本上具有与图5(a)所示的光学系统相同的功能。能够视为如一边参照图2和图3—边说明的，生成由图1所示的Bragg衍射形成的衍射光201的机构和畸变校正部15将平面波9的振幅分布转换成畸变校正后的衍射光302的振幅分布。更具体地说，图1所示的光声混合型光学系统，如图5(b)所示，能够视为具有声光转换部406，其将波长λ a的平面波9的波阵面上的振幅分布(声压分布)，转印到作为波长λ ο的平面波的畸变校正后的衍射光302的振幅分布(光强度分布)。因此，光声摄像系统100的光声混合型光学系统,具有与在图5(a)的光学系统中插入有声光转换部406的光学系统同样的功能。
[0112]图5(a)和图5(b)的差异点，仅是在声光转换部406的前后、平面波的波长从入a变成λο这一点。根据以上,光声摄像系统100的光声混合型光学系统,与图5(a)所不的构成同样，是双衍射光学系统。因此，根据傅立叶光学，像408是与物体407相似的光学像，在成像透镜16的焦平面上呈现为倒立反转。还有，因为在声光转换部406的前后而波长从λ a变成λ ο，所以物体407所对应的像408的大小为(FX λ o)/(fX λ a)倍。还有，λ o/λ a极小时，即，相比畸变校正后的衍射光302的波长，超声波的波长非常长时，优选增大F/f。通过增大F/f，能够防止像408极小，能够抑制图像接收部17所取得的光学图像的分辨率的降低。
[0113]〈具体的构成例〉
[0114]接下来，说明本实施方式的光声摄像系统100的更具体的构成例。
[0115]图6是表示光声摄像系统100的更具体的构成例的图。在此构成例中，介质3是水。超声波波源1，出射13.8MHz的20波即脉冲串信号。20波脉冲串信号，信号持续时间为1.4 μ S。水中的信号的长度为0.1mm。
[0116]作为光声介质8，使用的是声速50m/s的二氧化硅纳米多孔体。就声速比较低的二氧化硅纳米多孔体而言，超声波的传播波长短，能够增大衍射角。另外，二氧化硅纳米多孔体，对于后述的波长633nm的He-Ne激光具有透光性。
[0117]作为单色光光源11，使用的是波长633nm的He-Ne激光器。使用波长633nm的He-Ne激光器时，I级衍射光的衍射角为5°。I级衍射光的衍射角为5°之时，必须由畸变校正部15实现的光束放大率约5.74。该光束放大率可以由市场销售的变形棱镜实现。
[0118]因为衍射光强度通常弱，所以图像接收部17以灵敏度高为宜。另外，为了防止在不同时刻由被摄物体4散射的散射波在像18上重叠，图像接收部17以能够高速摄像为宜。即，优选图像接收部17是灵敏度比较高、且可以高速摄像的摄像元件。作为图像接收部17，例如可以利用CCD图像传感器(Charge Coupled Device Image Sensor)和CMOS图像传感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)。另外，如果像 18 的亮度不足而使摄像困难时，优选在上述图像传感器的跟前配置图像增倍管，预先使像18的亮度上升。
[0119]作为优选，在声透镜6和介质3的界面设置防反射膜，以使超声波能够从介质3高效率地入射声透镜6。防反射膜防止超声波从声透镜6的折射面到介质3的反射衰减。例如，声透镜6使用具有声速50m/s、密度0.llg/cm-3的二氧化硅纳米多孔体时，通过将声速340m/s、密度0.27g/cm-3的二氧化娃纳米多孔体所构成的厚6.2 μ m的薄膜形成于界面,能够作为防反射膜。之所以基于声透镜6的声速来决定防反射膜的声速及其厚度，因为防反射膜是由具有构成声透镜6的声介质的声阻抗(由声速和密度的积定义)和介质3的声阻抗的几何平均值所表示的声阻抗的介质形成的、且具有1/4波长的厚度的膜之缘故。
[0120]在图像接收部17上，得到大小相比被摄物体4为1/5的像18时，设定为F/f =1.14。其理由如下。即，如图6所示，像408对物体407的大小之比为(FX λ 0)/(f X λ a)倍，因此在该例的情况下，(FX A0)/(fX Aa) = 1/5的关系式成立。因此，F/f = λ a/5 λ O，如果将光的波长λ ο = 633nm、和声速50m/s的二氧化硅纳米多孔体的13.8MHz的超声波的波长Xa = 3.6 μ m代入上式,则能够得到F/f = 1.14。
[0121]使用具有焦距50mm的声透镜6时，使用焦距57mm的成像透镜16即可。其理由如下。 ，如以上求得的，因为F/f = 1.14,所以F = 1.14Xf。在该例中，因为f = 50mm,所以 F = 1.14X50mm = 57mm。
[0122]在图5(b)中，想要使物体407所对应的像408的大小增大时，成像透镜16的焦距变长，因此光声摄像系统100大型化。成像透镜16的焦距变长时，为了小型地构成光声摄像系统100，作为成像透镜16的光学系统，能够使用例如卡塞格伦光学系统所代表的折返型光学系统。通过使声透镜6和成像透镜16的距离配置得比f+F近，能够使光声摄像系统100小型。若使声透镜6和成像透镜16的距离配置得比f+F近，则不构成完全的双衍射光学系统。但是，在将与被摄物体4相似的光学像作为像18呈现这一点上，则与完全的双衍射光学系统发挥同样的功能。
[0123]在本实施方式中，声透镜6的焦距固定，但声透镜6也可以具有如通常的照相透镜这样的调焦机构(焦距的调节机构)。声透镜6的焦点被固定时，能够得到清晰的像18的，仅仅是包含在声透镜6的焦平面邻近区域(准确地说是由景深决定的区域)的被摄物体4的一部分。因此，通过将可以进行声透镜6的焦距调整的机构集成于声透镜6，可以进行被摄物体4的更广泛区域的拍摄。
[0124]图7是表不平面波光束14的入射方向的变化的图。图7 (a)表不本实施方式的光声摄像系统100的平面波光束14的入射方向。图7(b)表示光声摄像系统100的平面波光束14的其他可以入射的方向。在本实施方式中，如图7(a)所不,从声波吸收端10—侧朝向被摄物体4 一侧，沿着相对于超声波的传播方向倾斜的方向，照射平面波光束14。平面波光束14不限于这样的方向，如图7 (b)所不，也可以从被摄物体4 一侧朝向声波吸收端10一侧，沿着相对于超声波的传播方向倾斜的方向，照射平面波光束14。但是，在图7(b)所示的构成中，能够得到相对于在图7(a)的构成中得到的像而处于以图7(b)纸面作为对称面的镜像关系的像。因此，为了得到被测物体4的端正的像18，通过图像处理等使所拍摄的图像进行镜像反转即可。
[0125]如上，本实施方式的光声摄像系统100，通过应用Bragg衍射，将超声波的平面波的波阵面信息转印到单色光的.波阵面。另外，通过除去残存于Bragg衍射光中的畸变，能够将超声波所对应的光学系统(声透镜)和单色光所对应的光学系统结合为一个双衍射光学系统。根据以上的构成，既能够实现小型而简便的光学系统构成，又能够将被摄物体的声音像作为使像差良好校正的光学像取得。
[0126]另外，在本实施方式中，因为来自被摄物体4的散射波由声透镜6接收，所以也可以不用将被摄物体封入密闭容器。因此，能够将体内中的脏器等无法向密闭容器等封入的被摄物体4的光学像作为图像信息取得。
[0127]还有，在图1中，描绘的方式是，使从超声波波源I出射的超声波2的传播方向与从被摄物体4发生的散射波5的传播方向正交，但两者也可以不正交。无论两者以什么样的角度交叉，只要散射波5从被摄物体4入射到声透镜6并在光声介质8中传播的方式构成，便能够得到本实施方式的效果。
[0128]另外，就超声波波源I而言，将多波的同一正弦波形所构成的脉冲状超声波2照射到被摄物体4上，但所照射的超声波也可以是不具有脉冲状的时间波形的声音信号。此外，不限于以正弦波为载波的声音信号，使方形波和锯齿状波等的非正弦波的波形的迭代信号所构成的高频的弹性波发生的波源，也可以作为超声波波源I使用。
[0129]本实施方式，涉及具备超声波波源1、光声介质8、声透镜6、声波吸收端10、单色光光源11、光束扩展器12、畸变校正部15、成像透镜16和图像接收部17的光声摄像系统100，但其一部分能够作为独立的装置构成。例如，从光声摄像系统中除去了超声波波源I和畸变校正部15的构成要素，也可以作为光声摄像装置构成。另外，超声波波源1，例如能够组装到超声波诊断装置的探针上加以利用。此外，也可以将声透镜6、光声介质8、声波吸收端
10、单色光光源11、光束扩展器12的组合，构成为光声转换装置。如此，各装置能够与系统分别独立地制造/流通。
[0130](实施方式2)
[0131]接下来说明本发明的第二实施方式。
[0132]图8是表示本实施方式的光声摄像系统200的声透镜60的构成的图。本实施方式的光声摄像系统200和实施方式I的光声摄像系统100的差异仅为声透镜的构成。因此，光声摄像系统200的声透镜60以外的构成要素的说明省略。
[0133]在实施方式I的光声摄像系统100中，声透镜6和光声介质8全部由二氧化娃纳米多孔体构成。说明了通过调整二氧化硅纳米多孔体的制成条件，能够大范围改变二氧化硅多孔体的声速。因此，通过将二氧化硅纳米多孔体作为声透镜6使用，可以进行灵活的声介质选择。与通常的多群结构的光学透镜同样，能够良好地校正各像差，构成像圈(能够得到良好的成像特性的焦平面上的区域)宽阔的声透镜6。但是，在接合二氧化硅纳米多孔体和二氧化硅多孔体时，不使之夹隔空气层有困难。因此，具有的课题是，只用二氧化硅多孔体难以进行声透镜6的构筑。
[0134]在本实施方式中，为了解决上述的课题，使用图8所示的声透镜60。图8是关于包含声透镜60的光轴706和平面波光束14的光轴的面的声透镜60的剖面图。S卩，图8纸面是由光轴706与光轴13决定的平面。
[0135]声透镜60具有以图 8纸面为对称面的镜像对称的构造。声透镜60以如下方式制作。首先，将以光轴706为旋转对称轴的旋转对称的构造体由包含光轴706并与图8纸面垂直的面分割，留下其一方。然后，将留下的构造体由与图8纸面平行并距图8纸面为等距离的2个面分割。夹在这2个面间的构造体是声透镜60的立体构造。
[0136]如图8所示，声透镜60构成反射型光学系统。例如，通过切削加工等，制作具有反射面的金属制的声波导管705后，在制成的声波导管中封入一种均匀的二氧化硅纳米多孔体，便能够得到像差校正良好的声透镜60。
[0137]如图8所示，作为本实施方式优选的反射型光学系统的例子，存在具有2个反射面(作为凹面镜的主镜702和作为凸面镜的副镜701)的卡塞格伦型光学系统。如果作为主镜702和副镜701的面形状应用里奇-克雷蒂安(Ritchey-Chretien)光学系统，则能够良好地校正短焦点化时的卡塞格伦型光学系统的像差。还有，在里奇-克雷蒂安光学系统中，虽然焦点704残留像面弯曲，但通过对于二氧化硅纳米多孔体的焦点侧的界面(实施了防反射膜703的面)实施曲面加工，使之作为校正透镜发挥功能，则能够校正该像面弯曲。
[0138]如上，通过作为声透镜60应用上述这样的反射型光学系统，不用进行制成困难的多种二氧化硅纳米多孔体的接合，只用单一的二氧化硅纳米多孔体，便能够构成像差得到良好校正的声透镜60。
[0139](实施方式3)
[0140]接下来，说明本发明的第三实施方式。[0141]图9是表不本实施方式的光声摄像系统的畸变校正部15的构成例的图。本实施方式与实施方式1、2的差异，仅为畸变校正部15的构成。因此，畸变校正部15以外的构成要素的说明省略。
[0142]如图3所示，在衍射角设为Θ时，由Bragg衍射生成的衍射光201，在与图3纸面平行的方向(y轴方向)上收缩成sine倍。因此，若通过成像透镜6，使衍射光201直接成像，则像18畸变而不能得到与被摄物体4相似的图像。畸变校正部15的功能是，为了解决这一课题，使衍射光201在与图3纸面平行的方向(y轴方向)上成为Ι/sin Θ倍，以校正光束的畸变。并且，在实施方式I和实施方式2中，畸变校正部15通过使用作为光学元件的变形棱镜来实现。
[0143]但是，在本实施方式中，以光学的手段以外的手段实现畸变校正部15。如图9所示，在因成像透镜16而发生畸变的状态下使衍射光201的像801由图像接收部17加以摄像，且使畸变通过图像处理得以去除。由此，实现与被摄物体4相似的图像。
[0144]如上，作为畸变校正部15，适用对畸变状态的衍射光201的像801进行拍摄、且由图像处理使像801的畸变得以去除的装置构成，由此能够整体上削减光学元件的件数。
[0145]还有，衍射角Θ小时，在成像透镜16的焦平面上，在图9所示的坐标系中，被摄物体4成为在X方向上大幅缩小的图像，图像处理后的图像分辨率在X方向、y方向有所不同这样的课题存在。因此，为了缓和这一课题，也可以是并用图3所示的畸变校正部15和图9所示的畸变校正部15的构成。
[0146](实施方式4)
[0147]接着，说明本发明的第四实施方式。
[0148]图10是表不本实施方 式的光声摄像系统的畸变校正部15的构成例的图。本实施方式与实施方式I?3的差异，仅为畸变校正部15的构成。因此，畸变校正部15以外的构成要素的说明省略。
[0149]本实施方式的畸变校正部15，通过在图10所示的坐标系中的X方向上使衍射光201的光束宽度成为sin Θ ( < I)倍的缩小光学系统902实现。在此，Θ是衍射光201的衍射角。若假定平面波9的声束的截面形状为直径L的圆形，则衍射光201的光束的截面形状成为在X方向为L、在y方向为LX sin0的椭圆。缩小光学系统902使衍射光201的光束的截面形状在X方向上为sin Θ倍。由此，畸变校正后的衍射光901的光束的截面形状成为直径LXsinQ的圆形。在实施方式I和实施方式2中，畸变校正部15以将衍射光201矫正为直径L的光束为目的，但在本实施方式中，其特征在于，矫正为直径LXsin Θ的光束。
[0150]在此，将声透镜6的焦距设为f，成像透镜16的焦距设为F，作为超声波的平面波9的波长设为Xa，作为单色光的平面波光束14的波长设为λ0，衍射角设为Θ。这时，畸变校正后的衍射光901的像18与被摄物体4相似。根据傅立叶光学，其相似比为(AaXf)/(AoXF)Xsin0 0可是，根据式I的关系，衍射光201为± I级衍射光时，相似比为1/2Χ (f/F)。如此，借助缩小光学系统901的效果，相似比不依存于超声波和单色光的波长，因此，例如，如果以f/F = 2的方式设定声透镜6和成像透镜16的焦距比，则能够得到与被摄物体4相同大小的像18，可以取得高分辨率的图像。而且，如果使f为短焦点，则必然F也成为短焦点，因此也可同时实现光声摄像系统的小型化。此外，由于畸变校正后的衍射光901的光束细，所以成像透镜16的孔径口径变小而得以小型化，成像透镜16也可以不具有很高的面精度。
[0151]在实施方式I和实施方式2中，像18对被摄物体4的相似比为UaXf)/(λ oXF)。如一边参照图6 —边具体说明的，与单色光波长相比，超声波波长长得多，因此为了得到大的像18而使用焦距非常长的成像透镜16。因此，招致光声摄像系统的大型化、或者优选适用特殊的光学系统构成的成像透镜16 (图6所示的示例中为卡塞格伦型的折返光学系统)。在本实施方式中，通过作为畸变校正部15应用缩小光学系统902，既可以使用小孔径口径下具有短焦距的成像透镜16，又可以实现关于大型的像18的高分辨率图像取得和系统的小型化。
[0152]还有，在图10所示的构成例中，缩小光学系统902由变形棱镜构成，但如果是具有同样的作用的光学系统，则其他任意一种缩小光学系统都可以适用。另外，在图10所示的构成例中，平面波9的声束截面形状为直径L的圆形时，光束截面形状为直径LXsin Θ的圆形状的畸变校正后的衍射光901被生成。畸变校正后的衍射光901的光束截面的直径不限于LXsin Θ，如果矫正为CXL (其中，C< I)所代表的圆形，则能够缓和声透镜16的长焦点化/高分辨率化。作为实现这一手段的构成，例如，对于图10的X方向应用缩小光学系统，对于I方向应用放大光学系统。然后，适当地选择X方向的光束缩小率、y方向的光束放大率，使畸变校正后的衍射光901的光束截面形状成为直径CXL(其中，C< I)的圆形即可。
[0153]此外，使本实施方式的缩小光学系统902和图9 (实施方式3)所示的装置构成得以并用的构成，作为畸变校正部15也有用。但是，这种情况下，按照成为在畸变校正后的衍射光901的光束截面形状在图10所示的坐标系中、在X方向使之为CXL(其中，C< I)而在y方向上使之为LXsine的椭圆形状的方式，设定缩小光学系统901的光束缩小率。通过应用这样的装置构成，能够使所拍摄的图像的分辨率根据成像透镜16的焦平面上的方向而不所不同这样的实施方式3的课题得以缓和。
`[0154](实施方式5)
[0155]接着，说明本发明的第五实施方式。
[0156]图11是表示本实施方式的光声摄像系统500的概略结构的图。本实施方式与实施方式I?4的差异，仅为还具有角度调整部1302、1303这一点。因此，角度调整部1302，1303以外的构成要素的说明省略。
[0157]在图11中，由单色光光源11和光束扩展器12构成的系统，称为光束生成部1304。另外，由畸变校正部15、成像透镜16和图像接收部17构成的系统，称为衍射光成像部1305。另外，光轴19是通过衍射光201的光束中央、且与衍射光201的行进方向平行的直线。由实施方式I的Bragg衍射的说明可知，图11纸面等于由光轴7、光轴13和光轴19决定的平面。
[0158]本实施方式的光声摄像系统500的特征是，具有使光束生成部1304的光轴13对光轴7的夹角得以调整的角度调整部1302、和使衍射光成像部1305的光轴19对光轴7的夹角得以调整的角度调整部1303这一点。角度调整部1302和角度调整部1303联动，按照始终使光轴7和光轴13夹角、与光轴7和光轴19的夹角相等的方式，进行角度调整。
[0159]如实施方式I所阐述的，根据脉冲状超声波2的频率和来自单色光光源11的出射光的波长，决定衍射光201对光轴7的衍射角90° - Θ。因此,本实施方式的光声摄像系统500具有的功能是，即使脉冲状超声波2的频率改变，仍能够通过角度调整部1302和角度调整部1303的角度调整，进行摄像。
[0160]本实施方式的光声摄像系统500的、能够自由设定脉冲状超声波2的频率的特长，具有以下这样的优点。所谓能够在不同的超声波波长下观测被摄物体4，与所谓能够使摄像分辨率可变同义。利用这一特长，能够实现首先在低频超声波下粗略地观测被摄物体4、其次使用高频超声波观看细部这样的摄像方式。由此，具有能够缩短摄像时间这样的优点。
[0161]还有，在本实施方式中，使平面波光束的入射角与衍射角始终相等，如此调整光束生成部1304和衍射光成像部1305的位置，但上述2个角度也可以调整为不同的角度。另夕卜，也可以仅设置角度调整部1302、1303的任意一方。例如，脉冲状超声波2的脉冲宽度短、衍射光201的主要的成分为Raman-Nath衍射这样的情况下,该构成发挥出优势。在Bragg衍射中，如参照图2(b)说明的，平面波光束14对超声波波阵面的入射角度和衍射光201的衍射角度始终相等，但在Raman-Nath衍射中，两个角度一般不相等。因此，根据上述的装置构成，可以进行使用了 Raman-Nath衍射光的摄像。另外，利用上述构成，能够进行使脉冲状超声波2的频率变化、使用Raman-Nath衍射光的摄像。这通过按照在光轴13的方向固定在一定的方向、且脉冲状超声波2的频率变化时根据衍射角的变化来调整光轴19的方向的方式仅设置角度调整部1303，也能够实现。
[0162](实施方式6)
[0163]接下来，说明本发明的第六实施方式。
[0164]图12(a)概略地表不本实施方式的光声摄像系统600的畸变校正部15的构成。本实施方式在畸变校正部15在包含图像处理部20、长度测量部1405、角度调整部1403的这一点上，与第一至第五实施方式不同。因此，图像处理部20、长度测量部1405、角度调整部1403以外的构成要素的说明省.略。
[0165]本实施方式的畸变校正部15，基于由图像接收部17得到的图像信息，对光学像的畸变或由图像信息所生成的图像的畸变进行校正。为此，图像处理部20，接收由图像接收部17从光学图像所转换的电信号、即图像信息，进行适合图像显示的信号处理，在显示部21显示所处理了的图像。长度测量部1405测量图像中的对象物的长度。另外，将测量结果向角度调整部1403和图像处理20输出。角度制御部1403基于所接收到的测量结果而使变形棱镜301旋转。
[0166]其次，说明由本实施方式的畸变校正部15进行光学像的畸变调整的步骤。在本实施方式的光声摄像系统600中，在拍摄被摄物体时，首先，拍摄校正用试料，调整光学图像的畸变。如图12 (b)所示，校正用试料1401，是在声速和声阻抗预知的各向同性的介质3中、浸溃了形状和大小预知的弹性体的试料。用于校正用试料1401的介质3，优选拥有与实际要拍摄的被摄物体4被浸溃的介质3相同的声速。例如，实际要拍摄的被摄物体4为身体组织时，用于校正用试料1401的介质3，能够使用拥有与身体组织相同的声速的湿润凝胶和湿润氨基甲酸酯(々 > 夕>:urethane)橡胶等。另外，作为浸溃的弹性体，如图12(b)所示，能够使用直径d的球状弹性体等。还有，为了取得鲜明的图像，优选弹性体和介质3的声阻抗彼此大不相同。
[0167]图12(c)表示显示部21所显示的校正用试料1401的图像1402。长度测量部1405根据图像1402计测弹性体的尺寸。在图12(c)的示例中，直径d的球状弹性体，作为短径dl、长径d2的旋转椭圆体被拍摄。长度测量部1405，当测量的短径dl和长径d2不满足dl=d2，就将测量结果向角度调整部1403输出。
[0168]角度调整部1403，基于从长度测量部接收的短径dl、长径d2，按照使dl = d2的方式将变形棱镜301的角度旋转。由此，如参照图4说明的，角度Θ 1、Θ 2变化，由式(3)求得的光束放大率变化，光学像的畸变得到校正。其后，再度拍摄校正用试料1401，重复上述的步骤直至dl = d2。由此,如图12(d)所示，畸变得到校正的图像1404被显示在显示部21。
[0169]在dl = d2时，长度测量部1405按照使长度测量部1405所计测的直径d2 (或dl)为d = d2的方式，校正长度测量部1405的比例尺。由此，在图12(d)所示的图像中，所显示的图像的弹性体的直径d’作为直径d的值被显示。这种情况下，比例尺由校正的球状弹性体的直径d2、与实际的球状弹性体的直径d之比即d/d2定义。
[0170]长度测量部1405也可以构成为，使用所校正了的比例尺，测量所显示的图像的任意的部分的长度。例如，图像处理部20也可以按照使可移动的一对光标显示在显示部21上的方式生成光标的图像数据。操作者用鼠标等的用户界面使显示在显示部21的光标移动到任意的场所，长度测量部1405采用得到校正的比例尺计算一对光标间的距离也可。由此，能够在拍摄的图像上，使被摄物体的尺寸不依赖于测量环境的变动而得以高精度测量。
[0171]如此根据本实施方式的光声摄像系统，能够根据测量环境在高精度下校正光学像的畸变。例如，被摄物体为被检验者的身体组织时，被检验者的体温变化对实像18的大小造成影响，光声介质8的温度变化影响像的畸变。在拍摄这样的被检验者的环境下，被检验者的体温调整或进行拍摄的场所的气温调整变得困难的情况存在。根据本实施方式，不用调整这2个温度，通过拍摄校正用试料，便能够校正所拍摄的光学像的畸变。因此，例如，能够使处于被检验者的体内的肿瘤、息肉和结石等以正确的形状得以显示。另外，也可以计测其正确的大小。
[0172]还有，浸溃在校正 用试料1401中的弹性体也可以不是相同尺寸的球状，也可以不是多个。只要是大小和形状已知的弹性体，则也可以不是球形的弹性体。另外，在本实施方式中，基于长度测量部1405的计测结果，角度调整部1403调整变形棱镜301的角度，但如第三实施方式，也可以像的畸变校正在摄像后由图像处理进行。这种情况下，图像处理部20接收长度测量部1405的测量结果，以dl = d2的方式对所取得的图像1402的x方向和y方向(图9)的长度进行调整即可。
[0173]产业上的可利用性
[0174]本申请所公开的光声摄像系统，能够将超声波图像作为光学图像取得，因此作为超声波诊断装置用的探针等有用。另外，因为能够把从振动物体放射的超声波作为光学图像进行观察，所以也能够应用于非破坏振动测量装置等的用途。
[0175]符号说明
[0176]I超声波波源
[0177]2脉冲状超声波
[0178]3 介质
[0179]4、1109被摄物体[0180]5散射波
[0181]6声透镜
[0182]7、13、19 光轴
[0183]8光声介质
[0184]9平面波
[0185]10声波吸收端
[0186]11单色光光源
[0187]12、1102光束扩展器
[0188]14平面波光束
[0189]15畸变校正部
[0190]16成像透镜
[0191]17图像接收部
[0192]18、405、408、801 像
[0193]100,200,500光声 摄像系统
[0194]201衍射光
[0195]202衍射光栅
[0196]203单色光
[0197]301变形棱镜
[0198]302、901畸变校正后的衍射光
[0199]401、407 物体
[0200]402傅立叶变换面
[0201]403、404 透镜
[0202]406声光转换部
[0203]701 副镜
[0204]702 主镜
[0205]703防反射膜
[0206]704 焦点
[0207]705声波导管
[0208]902缩小光学系统
[0209]1101激光光源
[0210]1103 光阑
[0211]1104(a)、1104(b)、1104 (C)柱面透镜
[0212]1105 屏幕
[0213]1106 焦平面
[0214]1107 水
[0215]1108 声池室
[0216]1110 信号源
[0217]1111超声波振子
[0218]1112(a) I 级衍射光[0219]1112(b) -1 级衍射光
[0220]1302、1303角度调整部
[0221]1304光束生成部
[0222]1305衍射光成像部
[0223]1401校正用试料
[0224]1402 图像
[0225]1403角度调整部
[0226]1404校正后图像
[0227]1405长度测量部`
【权利要求】
1.一种光声摄像系统，其中，具备: 超声波波源，其用于将由具有按预定的时间间隔重复的时间波形的声音信号所构成的超声波照射到被摄物体上； 声透镜，其按照接收被照射到所述被摄物体上的所述超声波的散射波的方式配置，且将所述散射波转换成平面波； 透光性声介质，其在相对于所述声透镜为所述被摄物体的相反侧的区域的、且包含所述声透镜的光轴的区域设置； 光源，其出射单色光平面波，且按照使所述单色光平面波的行进方向与所述声透镜的光轴以90度和180度以外的角度交叉的方式配置； 成像透镜，其按照使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光会聚的方式配置； 图像接收部，其将由所述成像透镜形成的光学像作为图像信息取得； 畸变校正部，其对所述光学像的畸变、或由所述图像信息所生成的图像的畸变进行校正。
2.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述超声波是以正弦波为载波的声音信号。
3.根据权利要求2所述的光声摄像系统，其中， 所述超声波具有脉冲状的时 间波形，所述时间波形的持续时间是载波频率的倒数以上。
4.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述声透镜具有焦点调整机构。
5.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述声透镜是折射型的声透镜。
6.根据权利要求5所述的光声摄像系统，其中， 所述声透镜由二氧化硅纳米多孔体构成。
7.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述声透镜是反射型的声透镜。
8.根据权利要求7所述的光声摄像系统，其中， 所述声透镜是卡塞格伦型的声透镜。
9.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述透光性声介质是二氧化硅纳米多孔体。
10.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述畸变校正部具有使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光的光束的截面积放大或缩小的光学系统，且通过所述光学系统对所述光学像的畸变进行校正。
11.根据权利要求10所述的光声摄像系统，其中， 所述光学系统含有变形棱镜。
12.根据权利要求10所述的光声摄像系统，其中， 所述畸变校正部中的所述光学系统，配置在所述透光性声介质与所述成像透镜之间。
13.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 所述畸变校正部将由所述图像接收部取得的所述图像信息所生成的图像的畸变通过图像处理加以校正。
14.根据权利要求1所述的光声摄像系统，其中， 还具备角度调整部，该角度调整部按照从所述光源出射的所述单色光平面波的行进方向相对于所述声透镜的光轴所形成的角度、与所述单色光平面波的衍射光的行进方向相对于所述声透镜的光轴所形成的角度相等的方式，调整所述光源的位置。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的光声摄像系统，其中， 根据所述图像信息，对所述光学像的畸变、或由所述图像信息所生成的图像的畸变进行校正。
16.一种光声摄像装置，其中，具备: 声透镜，其按照接收被照射到被摄物体上的超声波的散射波的方式配置； 透光性声介质，其在相对于所述声透镜为所述被摄物体的相反侧的区域的、且包含所述声透镜的光轴的区域设置； 光源，其出射单色光平面波，且按照使所述单色光平面波的行进方向与所述声透镜的光轴以90度和180度以外的角度交叉的方式配置； 成像透镜，其按照使在所述透光性声介质中发生的、所述单色光平面波的衍射光会聚的方式配置；` 图像接收部，其将由所述成像透镜形成的光学像作为图像信息取得。
【文档编号】G01N29/00GK103442646SQ201280013458
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】寒川潮, 岩本卓也, 金子由利子, 桥本雅彦 申请人:松下电器产业株式会社