光聲攝像系統和光聲攝像裝置制造方法

光聲攝像系統和光聲攝像裝置制造方法
【專利摘要】光聲攝像系統，具備如下：超聲波波源(1)，其用于將由具有按預定的時間間隔重復的時間波形的聲音信號所構成的超聲波照射到被攝物體(4)上；聲透鏡(6)，其按照接收被照射到被攝物體(4)上的超聲波(2)的散射波的方式配置，且將所述散射波轉換成平面波；透光性聲介質(8)，其在相對于聲透鏡(6)為被攝物體(4)的相反側的區域的、且包含聲透鏡(6)的光軸(7)的區域設置；光源(11)，其出射單色光平面波，且按照使單色光平面波的行進方向與聲透鏡(6)的光軸(7)以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透鏡(16)，其按照使在透光性聲介質(8)中發生的單色光平面波的衍射光(201)會聚的方式配置；圖像接收部(17)，其將由成像透鏡(16)成像的光學像(18)作為圖像信息取得；畸變校正部(15)，其對光學像(18)的畸變、或由所述圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。
【專利說明】光聲攝像系統和光聲攝像裝置
【技術領域】
[0001]本申請涉及光聲攝像系統，其通過將超聲波照射到被攝物體上，將被攝物體所散射的超聲波導入光聲介質而在光聲介質中形成折射率分布，在由此發生的Bragg衍射(也稱布拉格衍射)的使用下將散射超聲波的強度/相位分布轉印給單色光的強度/相位分布，從而將超聲波圖像作為光學圖像進行攝像。
【背景技術】
[0002]作為將超聲波照射到被攝物體上、且利用來自被攝物體的散射波而生成光學圖像的裝置，已知有超聲波診斷裝置。例如，在專利文獻I中，公開有一種超聲波診斷裝置的一例。
[0003]圖13是表示專利文獻I所述的超聲波診斷裝置的攝像原理的圖。圖13所示的超聲波診斷裝置，具備相同形狀、相同特性的矩形振子Tl?T15。矩形振子Tl?T15構成為，可以通過振動進行超聲波的發送和接收。在圖13所示的例子中，矩形振子Tl?T15以一維狀排列。
[0004]矩形振子Tl?T15分別接收超聲波時，分別各自輸出接收信號。這些接收信號通過信號處理電路(未圖示)被延遲合成。
[0005]所謂延遲合成，是指將從矩形振子Ti (i = 1、…、15)輸出的接收信號設為Si(t)(i = 1、…、15)時，將合成信號 S = Al X SI (t+tl) +A2X S2 (t+t2) +— +A15X S15 (t+tl5)生成。在此，t表示時間，ti (i = 1、…、15)表示時間的偏離(延遲時間)，Ai(i = 1、…、15)表示加權。延遲合成就是將從各矩形振子輸出的接收信號在使時間錯開下授予適當的加權而進行加法運算處理的信號合成法。
[0006]圖13所示的超聲波診斷裝置，能夠對被攝物體的超聲波圖像進行攝像。以下，以在點a2發生脈沖狀球面波的情況為例，說明超聲波圖像的攝像原理。將在點a2發生的球面波到達矩形振子T5 (最靠近點a2的矩形振子)的時刻作為基準，其他的矩形振子Ti按τ i ( τ i > O)時間延遲輸出脈沖狀的時間信號。上述的延遲合成在ti = τ i(i = 1、…、15)下進行時，由各矩形振子的輸出信號生成的延遲信號Si(t+ti)，全部在同時刻擁有脈沖狀的時間信號。其結果是，延遲合成后的信號成為大的脈沖狀的時間信號。
[0007]在此，考慮從其他點al也有脈沖狀球面波到達的情況。就在點al發生的脈沖狀球面波所對應的輸出信號而言，在延遲合成時，在來自各矩形振子的延遲信號Si(t+ti)中不會同時刻出現。因此，在延遲合成的信號中，來自點al的球面波信號的輸出相對地小。
[0008]S卩，就圖13所示的超聲波診斷裝置而言，通過延遲合成處理，僅來自點a2的超聲波信號擁有高靈敏度，來自其他點的超聲波信號幾乎觀測不到。通過這一特性的應用，如果以對于圖13所示的來自期望的點的球面波擁有高靈敏度的方式設定延遲時間ti(i =
1、…、15)、且按延遲時間的設定反復進行延遲合成，則能夠撲捉來自各點的球面波強度，能夠拍攝超聲波圖像。
[0009]先行技術文獻[0010]專利文獻
[0011]專利文獻1:特開昭54-34580號公報
[0012]根據圖13所示的超聲波診斷裝置，可以進行靈活的攝像。但是，在該超聲波診斷裝置中，為了對一張超聲波圖像進行攝像，需要進行多次信號處理(延遲合成)。需要的信號處理的次數，至少相當于圖像的像素數。因此，為了高速超聲波攝像，需要擁有高速且大規模的運算電路的信號處理電路。另外，為了取得像素數多、空間分辨率高的圖像，需要發送/接收特性相互統一的大量的超聲波振子。但是，這樣的振子群的構筑極其困難。

【發明內容】

[0013]本申請的非限定性例示的實施方式，提供一種即使不具備大規模的運算電路、也能夠高速獲得圖像的光聲攝像系統。
[0014]本發明的光聲攝像系統，具備:超聲波波源，其用于將由具有按照預定的時間間隔重復的時間波形的聲音信號所構成的超聲波照射到被攝物體上；聲透鏡，其按照接收被照射到所述被攝物體上的所述超聲波的散射波的方式配置；透光性聲介質，其在相對于所述聲透鏡為所述被攝物體的相反側的區域的、且包含所述聲透鏡的光軸的區域配置；光源，其出射單色光平面波，且按照使所述單色光平面波的行進方向與所述聲透鏡的光軸以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透鏡，其按照使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光會聚的方式配置；圖像接收部，其將由所述成像透鏡形成的光學像作為圖像信息取得；畸變校正部，其對所述光學像的畸變、或由所述圖像信息生成的圖像的畸變進行校正。
[0015]根據本申請的一個形態的光聲攝像系統，能夠通過使用超聲波，對被攝物體進行聞速拍攝。
【專利附圖】

【附圖說明】
`[0016]圖1是表不實施方式I的光聲攝像系統的構成的概略結構圖。
[0017]圖2(a)是表不在實施方式I的光聲攝像系統中，平面波光束14因平面波9而發生Bragg衍射的情況的說明圖，(b)是用于說明一維衍射光柵的Bragg衍射條件的模式圖，(C)是用于說明通過Bragg衍射而使超聲波波陣面被轉印給衍射光光束的模式圖。
[0018]圖3(a)是表示在實施方式I的光聲攝像系統中，衍射光201單方向畸變的說明圖，(b)是用于說明實施方式I的光聲攝像系統的作為畸變校正部15適用的變形棱鏡的作用的模式圖。
[0019]圖4是用于說明構成變形棱鏡的楔形棱鏡的作用的模式圖。
[0020]圖5(a)是用于說明光學領域的雙衍射光學系統的工作運行的概略結構圖，(b)是表示實施方式I的光聲攝像系統中的作為光聲混合型光學系統的雙衍射光學系統的構成的概略圖。
[0021]圖6是表示構成實施方式I的光聲攝像系統的具體的構成的概略圖。
[0022]圖7(a)是表示實施方式I的光聲攝像系統中的平面波光束14的入射方向的概略結構圖，(b)是表示實施方式I的光聲攝像系統中的平面波光束14的其他可入射方向的概略結構圖。[0023]圖8是表示實施方式2的光聲攝像系統中的聲透鏡6的構成的概略圖。
[0024]圖9是表示實施方式3的光聲攝像系統的畸變校正部15的構成例的概略圖。
[0025]圖10(a)和(b)是表示實施方式4的光聲攝像系統的畸變校正部15的構成例的概略圖。
[0026]圖11是表不實施方式5的光聲攝像系統的構成的概略結構圖。
[0027]圖12(a)是表不實施方式6的光聲攝像系統600的畸變校正部15的概略結構的圖，(b)模式化地表示校正用試料。(C)模式化地表示畸變校正前所拍攝的校正用試料的圖像，(d)模式化地表示畸變校正后的校正用試料的圖像。
[0028]圖13是表示專利文獻I所述的現有的超聲波診斷裝置的攝像原理的模式圖。
[0029]圖14是表示非專利文獻I所述的現有的Bragg imaging的裝置構成的模式圖。
【具體實施方式】
[0030]本申請
【發明者】，對于即使不具備大規模的運算電路也能夠通過超聲波的使用而高速地取得圖像的攝像裝置進行了研究。其結果想到了:利用作為超聲波和光的相互作用的聲光效果來取得圖像。具體來說，想到了將超聲波散射波擁有的被攝像物體的信息轉印給光波，將超聲波圖像作為光學的圖像加以攝像。作這可以適用于這一目的的現有技術，有被稱為Bragg imaging的技術(例如，參照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，稱為非專利文獻 I)。
[0031]圖14是表示利用.非專利文獻I所述的現有的Bragg imaging的攝像裝置的裝置結構的圖。在圖14中，從激光光源1101出射的單色光光束，被光束擴展器1102和光闌1103轉換成粗的平面波光束。在光束的光路上，配置有3個柱面透鏡1104(a)、1104(b)、1104 (c)。圖14所示的光學系統，具有相對于圖14紙面水平/垂直方向而非對稱的構造。因此，光學系統擁有像散，為了在相對于圖14紙面而水平垂直兩個方向且在屏幕1105上的I點成像，光學系統由柱面透鏡1104(a)、1104(b)、1104(c)構成。
[0032]就柱面透鏡1104(a)而言，以平面波光束在紙面水平面且在焦平面(含有焦點、且以光軸作為法線的平面)1106上聚焦的方式設定焦距。通過焦平面1106的光束，在焦平面1106的后方發散，但該發散光束被柱面透鏡1104(b)會聚而在屏幕1105上再度聚焦。在包含光軸且與圖14紙面垂直的面內，放大光學系統1102通過后的光束以平行光束的狀態入射柱面透鏡1104(c)。然后，在柱面透鏡1104(c)的聚光作用下在屏幕1105上聚焦。還有，各柱面透鏡1104的鋪設位置和焦距，其設定方式為，不僅使圖14的水平垂直方向的光束在屏幕1105上成像，而且使圖14的水平垂直方向的圖像的放大率(被攝物體1109的大小/在屏幕1105上的像的大小)相等。
[0033]在圖14所示的裝置構成中，被攝物體1109被浸潰在由水1107充滿的聲池室1108中。經由水1107，從由信號源1110驅動的超聲波振子1111發生的單色的(單一頻率的)超聲波平面波，被照射到被攝物體1109上。這時，在被攝物體1109中生成超聲波散射波。散射波在從激光光源1101出射的單色光的水1107中的通過區域傳播。在水中傳播的超聲波的主要的波導模式是疏密波(縱波)，因此，與水1107中的聲壓分布、即與超聲波波陣面一致的折射率分布在水中生成。在此，為了使論述簡單，首先，假定來自被攝物體1109的超聲波散射波，為在圖14中朝向上方的平面波。由于超聲波散射波是單色超聲波,所以在某一瞬間在水1107中生成的折射率分布，成為以超聲波波長而重復的正弦波狀的一維光柵。因此，通過該一維光柵，衍射光生成。還有，在圖14中為了簡單，僅圖示了 ±1級衍射光束。一般來說，衍射光由Bragg衍射光和Raman-Nath衍射光構成。圖14所示的裝置,在Bragg衍射光為主要的衍射光的條件下適用。這種情況下，所生成的衍射光僅成為O級和土 I級衍射光。衍射光在屏幕1105上作為光點呈現。光點的亮度，與一維光柵的折射率的變化量、即超聲波的聲壓成正比。
[0034]在此，考慮先前假定的“超聲波散射波是平面波”這樣的前提條件得以緩和。SP，考察一般的超聲波散射波的情況(波陣面不是平面時)。一般的超聲波散射波，能夠作為從各個方向到來的平面波(在上述的例子中，全部的平面波擁有相同頻率)的疊加而加以表現。因此，在一般的超聲波散射波中所展開的各平面波形成的衍射光的光點也出現在屏幕1105上。各光點的強度與各平面波的振幅的大小成正比，另外，各光點的在屏幕1105上的出現位置，由各平面波的行進方向決定。因此，被攝物體1109的像作為I級衍射像1112(a)和-1級衍射像1112(b)顯示在屏幕1105上。
[0035]以上，是利用非專利文獻I所述的現有的Bragg imaging,用于對超聲波圖像進行光學攝像的操作。
[0036]由Bragg imaging進行的圖像形成,與通常的光學式照相機一樣,利用聚光光學系統的光學像形成作用進行，因此根本不需要以上所引用的專利文獻I所適用的接收器群、和從接收器群輸出的接收信號群所對應的信號處理手段。因此，就Bragg imaging而言，在裝置構成上，不需要高速且大規模的運算電路、和發送/接收特性相互一致的大量的超聲波振子，因此能夠解決上述的專利文獻I的課題。
[0037]如上述,雖然 Bragg imaging在很多點上具有有利之處,但是卻具有以下這樣的課題。即，在如下幾點上具有課題:難以實現良好的成像特性(波動光學上所期待的由超聲波波長決定的分辨率)這一點；裝置必須大型化這一點；以及可拍攝的被攝物體存在限制這一點。
[0038]在圖14中，被攝物體1109的像是土 I級衍射像1112 (a)、1112 (b)，但± I級衍射像1112(a)、1112(b)在從圖14的光學軸大幅地遠離下形成。通常，就成像光學系統而言，越離開光學軸，便擁有越大的軸外像差，因此在離開光軸的像面(像形成的平面)，形成良好的像變得困難。因此，在圖13所示的光學系統構成中，軸外像差造成的像的惡化發生。
[0039]另外，在圖14所示的構成中，作為超聲波的傳播介質而使用水1107。在水中，因為超聲波的傳播速度比較快(約1500m/s)，所以在使用非專利文獻I所述的22MHz這樣的高頻率的超聲波時，其波長也變成大約68 μ m。因此，作為激光光源1101適用非專利文獻I所述的波長633nm的激光器時，土 I級衍射像1112 (a)、1112 (b)的衍射角極小(約0.27° )。因此，為了使圖14中的水平和垂直方向的圖像的放大率相等，而需要用于對水平/垂直分別進行焦距和放大率調整的由柱面透鏡構成的特殊的光學系統。另外，需要使屏幕1105和聲池室1108之間的距離(數m左右)大幅地分離開，裝置大型化這樣的課題也存在。此外，在圖14所示的構成中，需要將被攝物體1109封入被水1107充滿的密閉容器中，因此例如專利文獻I的超聲波診斷裝置這樣的簡便攝像是困難的。
[0040]本
【發明者】鑒于這些課題，想到了一種能夠實現小型的光聲攝像系統的新的光聲攝像系統，其使像差少且在像面上均勻并具有高分辨率的光學像形成成為可能，不需要將被攝物體封入由水充滿的密閉容器中。本發明的一個形態的概要如下。
[0041]本發明的一個方式的光聲攝像系統，其具備:超聲波波源，其用于將由具有按預定的時間間隔重復的時間波形的聲音信號所構成的超聲波照射到被攝物體上；聲透鏡，其按照接收被照射到所述被攝物體上的所述超聲波的散射波的方式配置，且將所述散射波轉換成平面波；透光性聲介質，其在相對于所述聲透鏡為所述被攝物體的相反側的區域的、且包含所述聲透鏡的光軸的區域配置；光源，其出射單色光平面波，且按照使所述單色光平面波的行進方向和所述聲透鏡的光軸以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透鏡，其按照使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光會聚的方式配置；圖像接收部，其將由所述成像透鏡形成的光學像作為圖像信息取得；畸變校正部，其對所述光學像的畸變、或由所述圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。
[0042]所述超聲波是以正弦波為載波的聲音信號。
[0043]所述超聲波具有脈沖狀的時間波形，所述時間波形的持續時間是載波頻率的倒數以上。
[0044]在有的實施方式中，所述聲透鏡具有焦點調整機構。
[0045]所述聲透鏡是折射型的聲透鏡。
[0046]所述聲透鏡由二氧化硅納米多孔體構成。
[0047]所述聲透鏡是反射型的聲透鏡。
[0048]所述聲透鏡是卡塞格倫(Cassegrain)型的聲透鏡。
[0049]所述透光性聲介質是二氧化硅納米多孔體。
[0050]在有的實施方式中，所述畸變校正部具有使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光的光束的截面積放大或縮小的光學系統，且通過所述光學系統對所述光學像的畸變進行校正。
[0051]所述光學系統包含變形棱鏡。
[0052]所述畸變校正部中的所述光學系統，配置在所述透光性聲介質和所述成像透鏡之間。
[0053]所述畸變校正部將由所述圖像接收部取得的所述圖像信息所生成的圖像的畸變通過圖像處理加以校正。
[0054]所述光聲攝像系統還具備角度調整部，該角度調整部按照從所述光源出射的所述單色光平面波的行進方向相對于所述聲透鏡的光軸所形成的角度、與所述單色光平面波的衍射光的行進方向相對于所述聲透鏡的光軸所形成的角度相等的方式，調整所述光源的位置。
[0055]基于所述圖像信息，對所述光學像的畸變、或由所述圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。
[0056]另外，本發明的一個方式的光聲攝像裝置，具備:聲透鏡，其按照接收被照射到被攝物體上的超聲波的散射波的方式配置；透光性聲介質，其在相對于所述聲透鏡為所述被攝物體的相反側的區域的、且包含所述聲透鏡的光軸的區域設置；光源，其出射單色光平面波，且按照使所述單色光平面波的行進方向和所述聲透鏡的光軸以90度和180度以外的角度交叉的方式配置；成像透鏡，其按照使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光會聚的方式配置；圖像接收部，其將由所述成像透鏡形成的光學像作為圖像信息取得。
[0057]以下，一邊參照附圖，一邊說明本發明的實施方式。
[0058](實施方式I)
[0059]首先，說明本發明的第一實施方式。
[0060]圖1是模式化地表示本發明的第一實施方式的光聲攝像系統100的構成的圖。光聲攝像系統100具備超聲波波源1、光聲介質8、在光聲介質8的被攝物體4側一面所配置的聲透鏡6、在光聲介質8的與配置有聲透鏡6的面對置的面上所配置的聲波吸收端10、單色光光源11、光束擴展器12、畸變校正部15、成像透鏡16和圖像接收部17。還有，圖1所示的被攝物體4和像18，不是光聲攝像系統100的構成要素，為了說明方便而圖示。
[0061]超聲波波源1、聲透鏡6、光聲介質8的一部分和被攝物體4,被配置在超聲波能夠傳播的介質3中。介質3例如是空氣、水等。還有，身體組織也是超聲波可以傳播的介質3的適合的例子之一。對身體組織內進行拍攝時，與現有的超聲波診斷裝置所用的探針一樣，超聲波波源I和聲透鏡6以與介質3接觸的方式配置。
[0062]就光聲攝像系統100而言，通過使用超聲波，對被攝物體4的圖像進行攝像。以下，說明光聲攝像系統100的各構成要素。
[0063]<超聲波波源1>
[0064]就超聲波波源I而言，將由多個相同正弦波形構成的脈沖狀超聲波2照射到被攝物體4上。所謂由多個相同正弦波形構成的脈沖狀超聲波2，意思是擁有使振幅和頻率一定的正弦波形以一定時間保持連續的`時間波形的超聲波。如此，本實施方式所使用的超聲波波源，出射以正弦波為載波的聲音信號。在此，脈沖狀超聲波2的時間波形的持續時間,優選設定在載波頻率的倒數(周期)以上。脈沖狀超聲波2也可以不是平面波。
[0065]就脈沖狀超聲波2而言，以大體上均勻的照度照射被攝物體4的想要攝像的區域。為了以大致均勻的照度照射被攝物體4，本實施方式的脈沖狀超聲波2，是具有光束截面至少比光聲攝像系統100的可攝像區域大的超聲波波束。在此，所謂“以大致均勻的照度進行照射”，意思是對于光聲攝像系統100的設計者預想的攝像區域施加均一的聲壓而進行照射。所謂攝像區域，是指聲透鏡6的物體側焦點的鄰近區域。例如，攝像區域是焦點鄰域的半徑IOmm的區域時，焦平面鄰域的半徑IOmm的區域被均勻照射即可。
[0066]若脈沖狀超聲波2照射到被攝物體4上，則生成擁有與脈沖狀超聲波2相同頻率的散射波5。還有，散射波5當然也是超聲波。
[0067]<聲透鏡6>
[0068]聲透鏡6以使超聲波聚集的方式構成。聲透鏡6在介質3中具有焦距f。就聲透鏡6而言，例如按照將加工成光學透鏡狀的超聲波的傳播損失少的彈性體、和將在聲阻抗與介質3大不相同的物質(金屬和玻璃等)的表面如光學領域的反射鏡一樣光滑地加工下的超聲波所對應的多個反射面加以組合的方式構成。
[0069]為了使論述簡單，假定被攝物體4位于聲透鏡6的焦點鄰域。S卩，聲透鏡6和被攝物體4的距離，大約為焦距f。還有，在實際的拍攝現場，被攝物體4和聲透鏡6的距離可以不必與焦距f嚴格一致。被攝物體4和聲透鏡6的距離可以相對于焦距f發生某程度的偏離，依存于攝像所要求的分辨率。[0070]其次，著眼于脈沖狀超聲波2照射到被攝物體4上而發生的散射波5。散射波5在聲透鏡6的焦點位置(被攝物體4的位置)發生，是以焦點為中心的球面波。散射波5通過聲透鏡6而發生折射，被轉換成在光聲介質8中沿著與光軸7平行的方向傳播的平面波
9。因為被攝物體4被脈沖狀超聲波2照射，所以平面波9如圖1所示這樣變成脈沖狀的平面波的波束。在本說明書中，如上述這樣將通過折射而使入射的超聲波轉換成平面波的波束的聲透鏡稱為“折射型”。另外，將聲透鏡6接收散射波5的面作為第一面，其他的面也表述為第二面。聲透鏡6也可以具有多個第二面。
[0071]〈光聲介質8>
[0072]光聲介質8是透光性的聲介質。在光聲介質8中，平面波9傳播。光聲介質8與聲透鏡6的第二面被接觸配置。即，被配置在聲透鏡8具有的、讓散射波8入射的面以外的面。換言之，將光聲介質8配置在相對于聲透鏡6而為被攝物體4的相反側的區域。另外，在光聲介質8中，也入射后述的平面波光束14。光聲介質8,例如由二氧化娃干燥凝膠形成的多孔體、水、光學玻璃等構成。即，只要是可以傳播疏密聲音信號、并且來自單色光光源11的出射光可以透過的各向同性的介質即可。還有，由光聲攝像系統100取得高分辨率的圖像時，作為光聲介質8，優選盡可能使用低聲速的介質。
[0073]在光聲介質8的相對的端面，配置有聲透鏡6和聲波吸收端10。由聲透鏡6轉換的平面波9，入射到光聲介質8并在其內部傳播。傳播的平面波9，在配置于光聲介質8的端面的聲波吸收端10中不發生反射，而是被吸收。還有，為了防止平面波9的反射，優選如本實施方式這樣設置聲波吸收端10，但也可以不設聲波吸收端10而構成本系統。
[0074]在光聲介質8、聲透鏡6和聲波吸收端10的構成要素間,優選設置聲匹配層,使這3個構成要素接觸。通過設置聲匹配層，能夠抑制在3個構成要素的端面發生的反射波的影響。因為在聲透鏡6的折射面發生的反射波招致透射光的減少，所以成為使像18的亮度降低的要因。另外，在聲透鏡6的折射面、聲波吸收端10與光聲介質8的界面、及光聲介質8的沒有與聲波吸收端10相接 的端面所發生的反射波，也成為使像18的畫質降低的要因。這些反射波，相當于光學領域中的雜散光，不參與成像。這些反射波的增加，引起圖像的S/N比的降低、對比度的降低和被攝物體4的像以外的像的重疊(重影)。這些反射波之中主要的成分，是在聲透鏡6的折射面發生的成分、及在光聲介質8的與聲波吸收端10相接的面發生的成分。因此，優選在上述3個構成要素間設置聲匹配層，抑制這3個構成要素形成的反射波的發生。
[0075]〈單色光光源11>
[0076]單色光光源11生成相干性高的光束。在此所謂“相干性高的光束”，意思是波長、行進方向和相位相互統一的光子群所構成的光束。單色光光源11朝向光聲介質8照射光束。
[0077]在單色光光源11和光聲介質8之間，配置有光束擴展器12。由單色光光源11出射的光束，通過光束擴展器12，被整形為平面波光束14。光束擴展器，按照使平面波光束14對于光聲介質8中的平面波9的傳播區域進行充分均勻地照射的方式，放大從單色光光源11出射的光束。為了將被攝物體4的整體作為圖像加以捕捉，優選光束擴展器12其構成方式為，使圖1所示的平面波9的I個波陣面整體得以均勻地照射。
[0078]通過以上的構成，平面波光束14入射到光聲介質8。單色光光源11的光軸13與光聲介質8的光軸7交叉。光軸7和光軸13的交叉角度是(90° -Θ)。在此，Θ表示平面波光束14的行進方向與平面波9的波陣面的夾角。還有，Θ能夠采用除去O度、90度、180度和270度的任意的角度。這是由于，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就發生Bragg衍射，生成衍射光201。
[0079]光聲介質8如上述對于單色光光源11的出射光束具有透光性。平面波光束14在入射到光聲介質8后與平面波9接觸。與平面波9接觸的平面波光束14，分離成直接透射的光和衍射光201。
[0080]<平面波光束14的舉動>
[0081]接著，一邊參照圖2，一邊說明平面波光束14照射了平面波9時的平面波光束14的舉動。
[0082]圖2 (a)是表示在光聲攝像系統100中，平面波光束14經由平面波9而發生Bragg衍射的情況的圖。在圖2(a)中，表示平面波9在平面波光束14中通過的瞬間的情況。作為超聲波的平面波9,是在光聲介質8中傳播的疏密波。即，在光聲介質8中，生成與平面波9的聲壓分布一致的折射率分布。在本實施方式中，因為平面波9擁有單一頻率，所以折射率分布的周期與平面波9的波長相等。光聲介質8是沿著光軸7的方向呈正弦波狀變化、且在與以光軸7為法線的平面平行的方向上具有均一的折射率的一維光柵。該一維光柵作為衍射光柵起作用，因此平面波光束14在光聲介質8傳播時，產生衍射光201。還有，一維光柵的柵格面是平面，并且，平面波光束14的波陣面是平面時，衍射光201為平面波。如圖2(a)所示，平面波光束14和衍射光201相對于以光軸7為法線的平面所形成的夾角相等，均為角度Θ。角度Θ是滿足以下闡述的Bragg衍射條件的離散的值。
[0083]圖2(b)是用于說明一維衍射光柵的Bragg衍射條件的模式圖。如圖2(b)所示，由平面波9生成的衍射光柵202的柵格間隔，與光聲介質8中的超聲波傳播波長λ a相等。擁有波長λ ο的單色光203入射.到衍射光柵202時,在各柵格中生成微弱的散射光。若著眼于來自相鄰的2個柵格面的散射光,貝U由各柵格向同方向散射的2條光線的光路長度差(2X λ aX sin θ )與波長λ ο的整數倍(mX λ 0, m = ±1、±2、…)相等時,2條散射光相互加強。此互相加強在其他的柵格面也發生，因此整體上發生高強度的散射光，即衍射光發生。
[0084]據此相互加強的條件，衍射光出現的角度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表示反正弦函數。式I所表示的條件是Bragg衍射條件。
[0088]級數m越小，越成為高強度的衍射光201，因此作為光聲攝像系統100，優選使用m=±1的衍射光201。
[0089]圖2 (C)是用于說明通過Bragg衍射而超聲波波陣面被轉印給衍射光光束的模式圖。一邊參照圖2 (C)，一邊說明平面波9在波陣面面內擁有聲壓分布時的衍射光201的舉動。在此，假定平面波9的波陣面為平面。如圖2(c)所示，平面波9在波陣面面內具有不均一的聲壓分布。此非均一性反映了來自被攝物體4的散射超聲波的強度分布的非均一性。平面波9的聲壓與光聲介質8的折射率變化成正比。衍射光201的振幅(光強度的1/2次方)與折射率變化的大小成正比，因此衍射光201的振幅分布與平面波9的聲壓分布成正t匕。因此，在圖2(c)所示的狀況下，具有均勻的光強度的平面波光束14的衍射光201，變成被轉印了平面波9的聲壓分布的平面波。在此所謂“轉印”，意思是衍射光201具有與平面波9的聲壓分布所對應的光強度分布。即，平面波9擁有的波動光學的信息，全部在衍射光201上延續。
[0090]<畸變校正部15>
[0091]接下來，說明本實施方式的畸變校正部15。
[0092]圖3(a)是模式化地表示在光聲攝像系統100中衍射光201朝向單方向畸變的圖。如圖3(a)所示，平面波光束14對于平面波9傾斜入射。因此，衍射光201沿著與圖3(a)紙面平行、且相對于衍射光201的傳播方向垂直的方向發生畸變。即，沿著圖3(a)所示的x-y平面中的y軸方向，衍射光201畸變。
[0093]在此,將平面波9的射束形狀設為直徑L的圓形，Bragg衍射角設為Θ。衍射光201的射束形狀即為在y軸方向上擁有短徑LX sin0、在x軸方向上擁有長徑L的橢圓形。
[0094]在光聲攝像系統100中，衍射光201的畸變，引起圖1所示的像18的畸變。因此，在本實施方式中，通過圖1所示的畸變校正部15，對衍射光201的畸變進行。本實施方式的畸變校正部15，由變形棱鏡301構成。
[0095]圖3 (b)是模式化地表示作為本實施方式的畸變校正部15所使用的變形棱鏡301的作用的圖。如圖3(b)所示，變形棱鏡301由2個楔形棱鏡構成。
[0096]圖4是表示I個楔形棱鏡的示例的圖。此楔形棱鏡由折射率η的玻璃材構成。楔形棱鏡的2個折射面的法 線，均與圖4的紙面平行。將2個折射面的夾角設為α。與圖4的紙面平行的光束，入射到該楔形棱鏡時，與圖4的紙面平行的光束從楔形棱鏡出射。即，圖4表示沿著楔形棱鏡的2個折射面的法線所決定的平面入射的光束的情況。
[0097]將這樣的光束對于第一折射面的入射角設為Θ 1，從第一折射面的出射角設為Θ 2，從第二折射面的出射角設為Θ3。另外，在圖4中，將朝向第一折射面入射的光束的寬度設為Lin，從第二折射面出射的光束的寬度設為Lout。這時，如果提供Θ 1、α、η，則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]如圖4所不,入射光的光束直徑與從楔形棱鏡的出射光的光束直徑不同。以Lout/Lin計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，通過決定楔形棱鏡的α、1!和入射角Θ I來實現。
[0105]再次參照圖3(b)。變形棱鏡301，通過組合一個以上圖4所示的楔形棱鏡而被構成。還有，如圖3(b)所示，如果使用2個相同的楔形棱鏡，則能夠使對于變形棱鏡301的入射光和出射光的方向平行，具有光學系統的調整容易進行這樣的優點。另外，使各楔形棱鏡的折射面的法線與圖3(b)的紙面平行而配置時，變形棱鏡301對于衍射光201的畸變的矯正效果高的優點存在。畸變校正部15不限于上述的示例，只要是僅在與包含圖1所示的光軸7和光軸13的平面平行的方向上放大衍射光201的光束直徑的光學系統，則哪一種光學系統都可以。
[0106]如圖3(b)所不,關于衍射光201的畸變方向，通過變形棱鏡301,光束直徑被放大至l/sin0倍。由此，能夠校正有關與圖3(b)紙面平行的方向的像的畸變，得到具有直徑L的圓形的光束截面的衍射光302。畸變校正后的衍射光302是單色光，具有波長比作為超聲波的平面波9短得多的差異點，但平面波9的波陣面狀況全部在畸變校正后的衍射光302的波陣面上得到再現。
[0107]如圖1所示，畸變校正后的衍射光302，由擁有焦距F的成像透鏡16聚光。因為畸變校正后的衍射光302是平行光束，所以被會聚到成像透鏡16的焦點。在成像透鏡16的焦點位置設有圖像接收部17。就圖像接收部17而言，代表性的是CCD和CMOS等的固體攝像元件，將成像透鏡16的焦點鄰域的光強度分布作為光學的圖像進行攝像，并轉換成電信號。還有，圖像接收部17只要能夠將在其攝像面所形成的光學像作為圖像信息加以捕捉，則不限于固體攝像素子，例如也可以是照片用膠片。
[0108]作為圖像接收部17使用固體攝像元件時，光聲攝像系統100也可以還具備如下:接收從圖像接收部17輸出的作為圖像信息的電信號，實施圖像處理的圖像處理部20 ;接收由圖像處理部2進行了圖像處理的圖像信號，顯示所拍攝的圖像的顯示部21。
[0109]接著，一邊參照圖5，一邊說明該成像透鏡16的焦點鄰域的光強度分布是與被攝物體4相似的像18。
[0110]圖5(a)是表示用于說明光學領域的雙衍射光學系統的工作運行的概略結構的圖。圖5(a)表示，由分別具有焦距f和F的2個光學透鏡403、404構成的光學系統。2個透鏡相互按間隔f+F分離開，兩透鏡的光軸一致。根據傅立葉光學，I個聚光透鏡的2個焦點彼此處于傅立葉轉換的關系。因此，透鏡403形成的物體401的傅立葉轉換像，被形成于另一方的作為焦平面(含焦點、且以光軸為法線的平面)的傅立葉變換面402上。另外，由于傅立葉變換面402也是透鏡404`的焦平面，所以在傅立葉變換面402上形成的物體401的傅立葉轉換像的傅立葉轉換像，被形成于透鏡404的另一方的焦平面上。S卩，在透鏡404的另一方的焦平面上所形成的光學像，相當于是對物體401進行了兩次傅立葉轉換的。不過，物體401的兩次傅立葉轉換像(像405)成為與物體401相似的圖形。更準確地說，像405作為物體401的反轉像被呈現在透鏡404的焦平面上，其大小為物體401的F/f倍。S卩，在此光學系統中，與物體401相似的光學圖像作為像405出現，如果將CCD等的攝像元件設置在透鏡404的圖5(a)右側的焦平面上，則可以進行物體401的攝像。
[0111]本實施方式的光聲攝像系統100形成的光聲混合型光學系統,基本上具有與圖5(a)所示的光學系統相同的功能。能夠視為如一邊參照圖2和圖3—邊說明的，生成由圖1所示的Bragg衍射形成的衍射光201的機構和畸變校正部15將平面波9的振幅分布轉換成畸變校正后的衍射光302的振幅分布。更具體地說，圖1所示的光聲混合型光學系統，如圖5(b)所示，能夠視為具有聲光轉換部406，其將波長λ a的平面波9的波陣面上的振幅分布(聲壓分布)，轉印到作為波長λ ο的平面波的畸變校正后的衍射光302的振幅分布(光強度分布)。因此，光聲攝像系統100的光聲混合型光學系統,具有與在圖5(a)的光學系統中插入有聲光轉換部406的光學系統同樣的功能。
[0112]圖5(a)和圖5(b)的差異點，僅是在聲光轉換部406的前后、平面波的波長從入a變成λο這一點。根據以上,光聲攝像系統100的光聲混合型光學系統,與圖5(a)所不的構成同樣，是雙衍射光學系統。因此，根據傅立葉光學，像408是與物體407相似的光學像，在成像透鏡16的焦平面上呈現為倒立反轉。還有，因為在聲光轉換部406的前后而波長從λ a變成λ ο，所以物體407所對應的像408的大小為(FX λ o)/(fX λ a)倍。還有，λ o/λ a極小時，即，相比畸變校正后的衍射光302的波長，超聲波的波長非常長時，優選增大F/f。通過增大F/f，能夠防止像408極小，能夠抑制圖像接收部17所取得的光學圖像的分辨率的降低。
[0113]〈具體的構成例〉
[0114]接下來，說明本實施方式的光聲攝像系統100的更具體的構成例。
[0115]圖6是表示光聲攝像系統100的更具體的構成例的圖。在此構成例中，介質3是水。超聲波波源1，出射13.8MHz的20波即脈沖串信號。20波脈沖串信號，信號持續時間為1.4 μ S。水中的信號的長度為0.1mm。
[0116]作為光聲介質8，使用的是聲速50m/s的二氧化硅納米多孔體。就聲速比較低的二氧化硅納米多孔體而言，超聲波的傳播波長短，能夠增大衍射角。另外，二氧化硅納米多孔體，對于后述的波長633nm的He-Ne激光具有透光性。
[0117]作為單色光光源11，使用的是波長633nm的He-Ne激光器。使用波長633nm的He-Ne激光器時，I級衍射光的衍射角為5°。I級衍射光的衍射角為5°之時，必須由畸變校正部15實現的光束放大率約5.74。該光束放大率可以由市場銷售的變形棱鏡實現。
[0118]因為衍射光強度通常弱，所以圖像接收部17以靈敏度高為宜。另外，為了防止在不同時刻由被攝物體4散射的散射波在像18上重疊，圖像接收部17以能夠高速攝像為宜。即，優選圖像接收部17是靈敏度比較高、且可以高速攝像的攝像元件。作為圖像接收部17，例如可以利用CCD圖像傳感器(Charge Coupled Device Image Sensor)和CMOS圖像傳感器(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)。另外，如果像 18 的亮度不足而使攝像困難時，優選在上述圖像傳感器的跟前配置圖像增倍管，預先使像18的亮度上升。
[0119]作為優選，在聲透鏡6和介質3的界面設置防反射膜，以使超聲波能夠從介質3高效率地入射聲透鏡6。防反射膜防止超聲波從聲透鏡6的折射面到介質3的反射衰減。例如，聲透鏡6使用具有聲速50m/s、密度0.llg/cm-3的二氧化硅納米多孔體時，通過將聲速340m/s、密度0.27g/cm-3的二氧化娃納米多孔體所構成的厚6.2 μ m的薄膜形成于界面,能夠作為防反射膜。之所以基于聲透鏡6的聲速來決定防反射膜的聲速及其厚度，因為防反射膜是由具有構成聲透鏡6的聲介質的聲阻抗(由聲速和密度的積定義)和介質3的聲阻抗的幾何平均值所表示的聲阻抗的介質形成的、且具有1/4波長的厚度的膜之緣故。
[0120]在圖像接收部17上，得到大小相比被攝物體4為1/5的像18時，設定為F/f =1.14。其理由如下。即，如圖6所示，像408對物體407的大小之比為(FX λ 0)/(f X λ a)倍，因此在該例的情況下，(FX A0)/(fX Aa) = 1/5的關系式成立。因此，F/f = λ a/5 λ O，如果將光的波長λ ο = 633nm、和聲速50m/s的二氧化硅納米多孔體的13.8MHz的超聲波的波長Xa = 3.6 μ m代入上式,則能夠得到F/f = 1.14。
[0121]使用具有焦距50mm的聲透鏡6時，使用焦距57mm的成像透鏡16即可。其理由如下。 ，如以上求得的，因為F/f = 1.14,所以F = 1.14Xf。在該例中，因為f = 50mm,所以 F = 1.14X50mm = 57mm。
[0122]在圖5(b)中，想要使物體407所對應的像408的大小增大時，成像透鏡16的焦距變長，因此光聲攝像系統100大型化。成像透鏡16的焦距變長時，為了小型地構成光聲攝像系統100，作為成像透鏡16的光學系統，能夠使用例如卡塞格倫光學系統所代表的折返型光學系統。通過使聲透鏡6和成像透鏡16的距離配置得比f+F近，能夠使光聲攝像系統100小型。若使聲透鏡6和成像透鏡16的距離配置得比f+F近，則不構成完全的雙衍射光學系統。但是，在將與被攝物體4相似的光學像作為像18呈現這一點上，則與完全的雙衍射光學系統發揮同樣的功能。
[0123]在本實施方式中，聲透鏡6的焦距固定，但聲透鏡6也可以具有如通常的照相透鏡這樣的調焦機構(焦距的調節機構)。聲透鏡6的焦點被固定時，能夠得到清晰的像18的，僅僅是包含在聲透鏡6的焦平面鄰近區域(準確地說是由景深決定的區域)的被攝物體4的一部分。因此，通過將可以進行聲透鏡6的焦距調整的機構集成于聲透鏡6，可以進行被攝物體4的更廣泛區域的拍攝。
[0124]圖7是表不平面波光束14的入射方向的變化的圖。圖7 (a)表不本實施方式的光聲攝像系統100的平面波光束14的入射方向。圖7(b)表示光聲攝像系統100的平面波光束14的其他可以入射的方向。在本實施方式中，如圖7(a)所不,從聲波吸收端10—側朝向被攝物體4 一側，沿著相對于超聲波的傳播方向傾斜的方向，照射平面波光束14。平面波光束14不限于這樣的方向，如圖7 (b)所不，也可以從被攝物體4 一側朝向聲波吸收端10一側，沿著相對于超聲波的傳播方向傾斜的方向，照射平面波光束14。但是，在圖7(b)所示的構成中，能夠得到相對于在圖7(a)的構成中得到的像而處于以圖7(b)紙面作為對稱面的鏡像關系的像。因此，為了得到被測物體4的端正的像18，通過圖像處理等使所拍攝的圖像進行鏡像反轉即可。
[0125]如上，本實施方式的光聲攝像系統100，通過應用Bragg衍射，將超聲波的平面波的波陣面信息轉印到單色光的.波陣面。另外，通過除去殘存于Bragg衍射光中的畸變，能夠將超聲波所對應的光學系統(聲透鏡)和單色光所對應的光學系統結合為一個雙衍射光學系統。根據以上的構成，既能夠實現小型而簡便的光學系統構成，又能夠將被攝物體的聲音像作為使像差良好校正的光學像取得。
[0126]另外，在本實施方式中，因為來自被攝物體4的散射波由聲透鏡6接收，所以也可以不用將被攝物體封入密閉容器。因此，能夠將體內中的臟器等無法向密閉容器等封入的被攝物體4的光學像作為圖像信息取得。
[0127]還有，在圖1中，描繪的方式是，使從超聲波波源I出射的超聲波2的傳播方向與從被攝物體4發生的散射波5的傳播方向正交，但兩者也可以不正交。無論兩者以什么樣的角度交叉，只要散射波5從被攝物體4入射到聲透鏡6并在光聲介質8中傳播的方式構成，便能夠得到本實施方式的效果。
[0128]另外，就超聲波波源I而言，將多波的同一正弦波形所構成的脈沖狀超聲波2照射到被攝物體4上，但所照射的超聲波也可以是不具有脈沖狀的時間波形的聲音信號。此外，不限于以正弦波為載波的聲音信號，使方形波和鋸齒狀波等的非正弦波的波形的迭代信號所構成的高頻的彈性波發生的波源，也可以作為超聲波波源I使用。
[0129]本實施方式，涉及具備超聲波波源1、光聲介質8、聲透鏡6、聲波吸收端10、單色光光源11、光束擴展器12、畸變校正部15、成像透鏡16和圖像接收部17的光聲攝像系統100，但其一部分能夠作為獨立的裝置構成。例如，從光聲攝像系統中除去了超聲波波源I和畸變校正部15的構成要素，也可以作為光聲攝像裝置構成。另外，超聲波波源1，例如能夠組裝到超聲波診斷裝置的探針上加以利用。此外，也可以將聲透鏡6、光聲介質8、聲波吸收端
10、單色光光源11、光束擴展器12的組合，構成為光聲轉換裝置。如此，各裝置能夠與系統分別獨立地制造/流通。
[0130](實施方式2)
[0131]接下來說明本發明的第二實施方式。
[0132]圖8是表示本實施方式的光聲攝像系統200的聲透鏡60的構成的圖。本實施方式的光聲攝像系統200和實施方式I的光聲攝像系統100的差異僅為聲透鏡的構成。因此，光聲攝像系統200的聲透鏡60以外的構成要素的說明省略。
[0133]在實施方式I的光聲攝像系統100中，聲透鏡6和光聲介質8全部由二氧化娃納米多孔體構成。說明了通過調整二氧化硅納米多孔體的制成條件，能夠大范圍改變二氧化硅多孔體的聲速。因此，通過將二氧化硅納米多孔體作為聲透鏡6使用，可以進行靈活的聲介質選擇。與通常的多群結構的光學透鏡同樣，能夠良好地校正各像差，構成像圈(能夠得到良好的成像特性的焦平面上的區域)寬闊的聲透鏡6。但是，在接合二氧化硅納米多孔體和二氧化硅多孔體時，不使之夾隔空氣層有困難。因此，具有的課題是，只用二氧化硅多孔體難以進行聲透鏡6的構筑。
[0134]在本實施方式中，為了解決上述的課題，使用圖8所示的聲透鏡60。圖8是關于包含聲透鏡60的光軸706和平面波光束14的光軸的面的聲透鏡60的剖面圖。S卩，圖8紙面是由光軸706與光軸13決定的平面。
[0135]聲透鏡60具有以圖 8紙面為對稱面的鏡像對稱的構造。聲透鏡60以如下方式制作。首先，將以光軸706為旋轉對稱軸的旋轉對稱的構造體由包含光軸706并與圖8紙面垂直的面分割，留下其一方。然后，將留下的構造體由與圖8紙面平行并距圖8紙面為等距離的2個面分割。夾在這2個面間的構造體是聲透鏡60的立體構造。
[0136]如圖8所示，聲透鏡60構成反射型光學系統。例如，通過切削加工等，制作具有反射面的金屬制的聲波導管705后，在制成的聲波導管中封入一種均勻的二氧化硅納米多孔體，便能夠得到像差校正良好的聲透鏡60。
[0137]如圖8所示，作為本實施方式優選的反射型光學系統的例子，存在具有2個反射面(作為凹面鏡的主鏡702和作為凸面鏡的副鏡701)的卡塞格倫型光學系統。如果作為主鏡702和副鏡701的面形狀應用里奇-克雷蒂安(Ritchey-Chretien)光學系統，則能夠良好地校正短焦點化時的卡塞格倫型光學系統的像差。還有，在里奇-克雷蒂安光學系統中，雖然焦點704殘留像面彎曲，但通過對于二氧化硅納米多孔體的焦點側的界面(實施了防反射膜703的面)實施曲面加工，使之作為校正透鏡發揮功能，則能夠校正該像面彎曲。
[0138]如上，通過作為聲透鏡60應用上述這樣的反射型光學系統，不用進行制成困難的多種二氧化硅納米多孔體的接合，只用單一的二氧化硅納米多孔體，便能夠構成像差得到良好校正的聲透鏡60。
[0139](實施方式3)
[0140]接下來，說明本發明的第三實施方式。[0141]圖9是表不本實施方式的光聲攝像系統的畸變校正部15的構成例的圖。本實施方式與實施方式1、2的差異，僅為畸變校正部15的構成。因此，畸變校正部15以外的構成要素的說明省略。
[0142]如圖3所示，在衍射角設為Θ時，由Bragg衍射生成的衍射光201，在與圖3紙面平行的方向(y軸方向)上收縮成sine倍。因此，若通過成像透鏡6，使衍射光201直接成像，則像18畸變而不能得到與被攝物體4相似的圖像。畸變校正部15的功能是，為了解決這一課題，使衍射光201在與圖3紙面平行的方向(y軸方向)上成為Ι/sin Θ倍，以校正光束的畸變。并且，在實施方式I和實施方式2中，畸變校正部15通過使用作為光學元件的變形棱鏡來實現。
[0143]但是，在本實施方式中，以光學的手段以外的手段實現畸變校正部15。如圖9所示，在因成像透鏡16而發生畸變的狀態下使衍射光201的像801由圖像接收部17加以攝像，且使畸變通過圖像處理得以去除。由此，實現與被攝物體4相似的圖像。
[0144]如上，作為畸變校正部15，適用對畸變狀態的衍射光201的像801進行拍攝、且由圖像處理使像801的畸變得以去除的裝置構成，由此能夠整體上削減光學元件的件數。
[0145]還有，衍射角Θ小時，在成像透鏡16的焦平面上，在圖9所示的坐標系中，被攝物體4成為在X方向上大幅縮小的圖像，圖像處理后的圖像分辨率在X方向、y方向有所不同這樣的課題存在。因此，為了緩和這一課題，也可以是并用圖3所示的畸變校正部15和圖9所示的畸變校正部15的構成。
[0146](實施方式4)
[0147]接著，說明本發明的第四實施方式。
[0148]圖10是表不本實施方 式的光聲攝像系統的畸變校正部15的構成例的圖。本實施方式與實施方式I?3的差異，僅為畸變校正部15的構成。因此，畸變校正部15以外的構成要素的說明省略。
[0149]本實施方式的畸變校正部15，通過在圖10所示的坐標系中的X方向上使衍射光201的光束寬度成為sin Θ ( < I)倍的縮小光學系統902實現。在此，Θ是衍射光201的衍射角。若假定平面波9的聲束的截面形狀為直徑L的圓形，則衍射光201的光束的截面形狀成為在X方向為L、在y方向為LX sin0的橢圓。縮小光學系統902使衍射光201的光束的截面形狀在X方向上為sin Θ倍。由此，畸變校正后的衍射光901的光束的截面形狀成為直徑LXsinQ的圓形。在實施方式I和實施方式2中，畸變校正部15以將衍射光201矯正為直徑L的光束為目的，但在本實施方式中，其特征在于，矯正為直徑LXsin Θ的光束。
[0150]在此，將聲透鏡6的焦距設為f，成像透鏡16的焦距設為F，作為超聲波的平面波9的波長設為Xa，作為單色光的平面波光束14的波長設為λ0，衍射角設為Θ。這時，畸變校正后的衍射光901的像18與被攝物體4相似。根據傅立葉光學，其相似比為(AaXf)/(AoXF)Xsin0 0可是，根據式I的關系，衍射光201為± I級衍射光時，相似比為1/2Χ (f/F)。如此，借助縮小光學系統901的效果，相似比不依存于超聲波和單色光的波長，因此，例如，如果以f/F = 2的方式設定聲透鏡6和成像透鏡16的焦距比，則能夠得到與被攝物體4相同大小的像18，可以取得高分辨率的圖像。而且，如果使f為短焦點，則必然F也成為短焦點，因此也可同時實現光聲攝像系統的小型化。此外，由于畸變校正后的衍射光901的光束細，所以成像透鏡16的孔徑口徑變小而得以小型化，成像透鏡16也可以不具有很高的面精度。
[0151]在實施方式I和實施方式2中，像18對被攝物體4的相似比為UaXf)/(λ oXF)。如一邊參照圖6 —邊具體說明的，與單色光波長相比，超聲波波長長得多，因此為了得到大的像18而使用焦距非常長的成像透鏡16。因此，招致光聲攝像系統的大型化、或者優選適用特殊的光學系統構成的成像透鏡16 (圖6所示的示例中為卡塞格倫型的折返光學系統)。在本實施方式中，通過作為畸變校正部15應用縮小光學系統902，既可以使用小孔徑口徑下具有短焦距的成像透鏡16，又可以實現關于大型的像18的高分辨率圖像取得和系統的小型化。
[0152]還有，在圖10所示的構成例中，縮小光學系統902由變形棱鏡構成，但如果是具有同樣的作用的光學系統，則其他任意一種縮小光學系統都可以適用。另外，在圖10所示的構成例中，平面波9的聲束截面形狀為直徑L的圓形時，光束截面形狀為直徑LXsin Θ的圓形狀的畸變校正后的衍射光901被生成。畸變校正后的衍射光901的光束截面的直徑不限于LXsin Θ，如果矯正為CXL (其中，C< I)所代表的圓形，則能夠緩和聲透鏡16的長焦點化/高分辨率化。作為實現這一手段的構成，例如，對于圖10的X方向應用縮小光學系統，對于I方向應用放大光學系統。然后，適當地選擇X方向的光束縮小率、y方向的光束放大率，使畸變校正后的衍射光901的光束截面形狀成為直徑CXL(其中，C< I)的圓形即可。
[0153]此外，使本實施方式的縮小光學系統902和圖9 (實施方式3)所示的裝置構成得以并用的構成，作為畸變校正部15也有用。但是，這種情況下，按照成為在畸變校正后的衍射光901的光束截面形狀在圖10所示的坐標系中、在X方向使之為CXL(其中，C< I)而在y方向上使之為LXsine的橢圓形狀的方式，設定縮小光學系統901的光束縮小率。通過應用這樣的裝置構成，能夠使所拍攝的圖像的分辨率根據成像透鏡16的焦平面上的方向而不所不同這樣的實施方式3的課題得以緩和。
`[0154](實施方式5)
[0155]接著，說明本發明的第五實施方式。
[0156]圖11是表示本實施方式的光聲攝像系統500的概略結構的圖。本實施方式與實施方式I?4的差異，僅為還具有角度調整部1302、1303這一點。因此，角度調整部1302，1303以外的構成要素的說明省略。
[0157]在圖11中，由單色光光源11和光束擴展器12構成的系統，稱為光束生成部1304。另外，由畸變校正部15、成像透鏡16和圖像接收部17構成的系統，稱為衍射光成像部1305。另外，光軸19是通過衍射光201的光束中央、且與衍射光201的行進方向平行的直線。由實施方式I的Bragg衍射的說明可知，圖11紙面等于由光軸7、光軸13和光軸19決定的平面。
[0158]本實施方式的光聲攝像系統500的特征是，具有使光束生成部1304的光軸13對光軸7的夾角得以調整的角度調整部1302、和使衍射光成像部1305的光軸19對光軸7的夾角得以調整的角度調整部1303這一點。角度調整部1302和角度調整部1303聯動，按照始終使光軸7和光軸13夾角、與光軸7和光軸19的夾角相等的方式，進行角度調整。
[0159]如實施方式I所闡述的，根據脈沖狀超聲波2的頻率和來自單色光光源11的出射光的波長，決定衍射光201對光軸7的衍射角90° - Θ。因此,本實施方式的光聲攝像系統500具有的功能是，即使脈沖狀超聲波2的頻率改變，仍能夠通過角度調整部1302和角度調整部1303的角度調整，進行攝像。
[0160]本實施方式的光聲攝像系統500的、能夠自由設定脈沖狀超聲波2的頻率的特長，具有以下這樣的優點。所謂能夠在不同的超聲波波長下觀測被攝物體4，與所謂能夠使攝像分辨率可變同義。利用這一特長，能夠實現首先在低頻超聲波下粗略地觀測被攝物體4、其次使用高頻超聲波觀看細部這樣的攝像方式。由此，具有能夠縮短攝像時間這樣的優點。
[0161]還有，在本實施方式中，使平面波光束的入射角與衍射角始終相等，如此調整光束生成部1304和衍射光成像部1305的位置，但上述2個角度也可以調整為不同的角度。另夕卜，也可以僅設置角度調整部1302、1303的任意一方。例如，脈沖狀超聲波2的脈沖寬度短、衍射光201的主要的成分為Raman-Nath衍射這樣的情況下,該構成發揮出優勢。在Bragg衍射中，如參照圖2(b)說明的，平面波光束14對超聲波波陣面的入射角度和衍射光201的衍射角度始終相等，但在Raman-Nath衍射中，兩個角度一般不相等。因此，根據上述的裝置構成，可以進行使用了 Raman-Nath衍射光的攝像。另外，利用上述構成，能夠進行使脈沖狀超聲波2的頻率變化、使用Raman-Nath衍射光的攝像。這通過按照在光軸13的方向固定在一定的方向、且脈沖狀超聲波2的頻率變化時根據衍射角的變化來調整光軸19的方向的方式僅設置角度調整部1303，也能夠實現。
[0162](實施方式6)
[0163]接下來，說明本發明的第六實施方式。
[0164]圖12(a)概略地表不本實施方式的光聲攝像系統600的畸變校正部15的構成。本實施方式在畸變校正部15在包含圖像處理部20、長度測量部1405、角度調整部1403的這一點上，與第一至第五實施方式不同。因此，圖像處理部20、長度測量部1405、角度調整部1403以外的構成要素的說明省.略。
[0165]本實施方式的畸變校正部15，基于由圖像接收部17得到的圖像信息，對光學像的畸變或由圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。為此，圖像處理部20，接收由圖像接收部17從光學圖像所轉換的電信號、即圖像信息，進行適合圖像顯示的信號處理，在顯示部21顯示所處理了的圖像。長度測量部1405測量圖像中的對象物的長度。另外，將測量結果向角度調整部1403和圖像處理20輸出。角度制御部1403基于所接收到的測量結果而使變形棱鏡301旋轉。
[0166]其次，說明由本實施方式的畸變校正部15進行光學像的畸變調整的步驟。在本實施方式的光聲攝像系統600中，在拍攝被攝物體時，首先，拍攝校正用試料，調整光學圖像的畸變。如圖12 (b)所示，校正用試料1401，是在聲速和聲阻抗預知的各向同性的介質3中、浸潰了形狀和大小預知的彈性體的試料。用于校正用試料1401的介質3，優選擁有與實際要拍攝的被攝物體4被浸潰的介質3相同的聲速。例如，實際要拍攝的被攝物體4為身體組織時，用于校正用試料1401的介質3，能夠使用擁有與身體組織相同的聲速的濕潤凝膠和濕潤氨基甲酸酯(々 > 夕>:urethane)橡膠等。另外，作為浸潰的彈性體，如圖12(b)所示，能夠使用直徑d的球狀彈性體等。還有，為了取得鮮明的圖像，優選彈性體和介質3的聲阻抗彼此大不相同。
[0167]圖12(c)表示顯示部21所顯示的校正用試料1401的圖像1402。長度測量部1405根據圖像1402計測彈性體的尺寸。在圖12(c)的示例中，直徑d的球狀彈性體，作為短徑dl、長徑d2的旋轉橢圓體被拍攝。長度測量部1405，當測量的短徑dl和長徑d2不滿足dl=d2，就將測量結果向角度調整部1403輸出。
[0168]角度調整部1403，基于從長度測量部接收的短徑dl、長徑d2，按照使dl = d2的方式將變形棱鏡301的角度旋轉。由此，如參照圖4說明的，角度Θ 1、Θ 2變化，由式(3)求得的光束放大率變化，光學像的畸變得到校正。其后，再度拍攝校正用試料1401，重復上述的步驟直至dl = d2。由此,如圖12(d)所示，畸變得到校正的圖像1404被顯示在顯示部21。
[0169]在dl = d2時，長度測量部1405按照使長度測量部1405所計測的直徑d2 (或dl)為d = d2的方式，校正長度測量部1405的比例尺。由此，在圖12(d)所示的圖像中，所顯示的圖像的彈性體的直徑d’作為直徑d的值被顯示。這種情況下，比例尺由校正的球狀彈性體的直徑d2、與實際的球狀彈性體的直徑d之比即d/d2定義。
[0170]長度測量部1405也可以構成為，使用所校正了的比例尺，測量所顯示的圖像的任意的部分的長度。例如，圖像處理部20也可以按照使可移動的一對光標顯示在顯示部21上的方式生成光標的圖像數據。操作者用鼠標等的用戶界面使顯示在顯示部21的光標移動到任意的場所，長度測量部1405采用得到校正的比例尺計算一對光標間的距離也可。由此，能夠在拍攝的圖像上，使被攝物體的尺寸不依賴于測量環境的變動而得以高精度測量。
[0171]如此根據本實施方式的光聲攝像系統，能夠根據測量環境在高精度下校正光學像的畸變。例如，被攝物體為被檢驗者的身體組織時，被檢驗者的體溫變化對實像18的大小造成影響，光聲介質8的溫度變化影響像的畸變。在拍攝這樣的被檢驗者的環境下，被檢驗者的體溫調整或進行拍攝的場所的氣溫調整變得困難的情況存在。根據本實施方式，不用調整這2個溫度，通過拍攝校正用試料，便能夠校正所拍攝的光學像的畸變。因此，例如，能夠使處于被檢驗者的體內的腫瘤、息肉和結石等以正確的形狀得以顯示。另外，也可以計測其正確的大小。
[0172]還有，浸潰在校正 用試料1401中的彈性體也可以不是相同尺寸的球狀，也可以不是多個。只要是大小和形狀已知的彈性體，則也可以不是球形的彈性體。另外，在本實施方式中，基于長度測量部1405的計測結果，角度調整部1403調整變形棱鏡301的角度，但如第三實施方式，也可以像的畸變校正在攝像后由圖像處理進行。這種情況下，圖像處理部20接收長度測量部1405的測量結果，以dl = d2的方式對所取得的圖像1402的x方向和y方向(圖9)的長度進行調整即可。
[0173]產業上的可利用性
[0174]本申請所公開的光聲攝像系統，能夠將超聲波圖像作為光學圖像取得，因此作為超聲波診斷裝置用的探針等有用。另外，因為能夠把從振動物體放射的超聲波作為光學圖像進行觀察，所以也能夠應用于非破壞振動測量裝置等的用途。
[0175]符號說明
[0176]I超聲波波源
[0177]2脈沖狀超聲波
[0178]3 介質
[0179]4、1109被攝物體[0180]5散射波
[0181]6聲透鏡
[0182]7、13、19 光軸
[0183]8光聲介質
[0184]9平面波
[0185]10聲波吸收端
[0186]11單色光光源
[0187]12、1102光束擴展器
[0188]14平面波光束
[0189]15畸變校正部
[0190]16成像透鏡
[0191]17圖像接收部
[0192]18、405、408、801 像
[0193]100,200,500光聲 攝像系統
[0194]201衍射光
[0195]202衍射光柵
[0196]203單色光
[0197]301變形棱鏡
[0198]302、901畸變校正后的衍射光
[0199]401、407 物體
[0200]402傅立葉變換面
[0201]403、404 透鏡
[0202]406聲光轉換部
[0203]701 副鏡
[0204]702 主鏡
[0205]703防反射膜
[0206]704 焦點
[0207]705聲波導管
[0208]902縮小光學系統
[0209]1101激光光源
[0210]1103 光闌
[0211]1104(a)、1104(b)、1104 (C)柱面透鏡
[0212]1105 屏幕
[0213]1106 焦平面
[0214]1107 水
[0215]1108 聲池室
[0216]1110 信號源
[0217]1111超聲波振子
[0218]1112(a) I 級衍射光[0219]1112(b) -1 級衍射光
[0220]1302、1303角度調整部
[0221]1304光束生成部
[0222]1305衍射光成像部
[0223]1401校正用試料
[0224]1402 圖像
[0225]1403角度調整部
[0226]1404校正后圖像
[0227]1405長度測量部`
【權利要求】
1.一種光聲攝像系統，其中，具備: 超聲波波源，其用于將由具有按預定的時間間隔重復的時間波形的聲音信號所構成的超聲波照射到被攝物體上； 聲透鏡，其按照接收被照射到所述被攝物體上的所述超聲波的散射波的方式配置，且將所述散射波轉換成平面波； 透光性聲介質，其在相對于所述聲透鏡為所述被攝物體的相反側的區域的、且包含所述聲透鏡的光軸的區域設置； 光源，其出射單色光平面波，且按照使所述單色光平面波的行進方向與所述聲透鏡的光軸以90度和180度以外的角度交叉的方式配置； 成像透鏡，其按照使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光會聚的方式配置； 圖像接收部，其將由所述成像透鏡形成的光學像作為圖像信息取得； 畸變校正部，其對所述光學像的畸變、或由所述圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。
2.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述超聲波是以正弦波為載波的聲音信號。
3.根據權利要求2所述的光聲攝像系統，其中， 所述超聲波具有脈沖狀的時 間波形，所述時間波形的持續時間是載波頻率的倒數以上。
4.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述聲透鏡具有焦點調整機構。
5.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述聲透鏡是折射型的聲透鏡。
6.根據權利要求5所述的光聲攝像系統，其中， 所述聲透鏡由二氧化硅納米多孔體構成。
7.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述聲透鏡是反射型的聲透鏡。
8.根據權利要求7所述的光聲攝像系統，其中， 所述聲透鏡是卡塞格倫型的聲透鏡。
9.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述透光性聲介質是二氧化硅納米多孔體。
10.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述畸變校正部具有使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光的光束的截面積放大或縮小的光學系統，且通過所述光學系統對所述光學像的畸變進行校正。
11.根據權利要求10所述的光聲攝像系統，其中， 所述光學系統含有變形棱鏡。
12.根據權利要求10所述的光聲攝像系統，其中， 所述畸變校正部中的所述光學系統，配置在所述透光性聲介質與所述成像透鏡之間。
13.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 所述畸變校正部將由所述圖像接收部取得的所述圖像信息所生成的圖像的畸變通過圖像處理加以校正。
14.根據權利要求1所述的光聲攝像系統，其中， 還具備角度調整部，該角度調整部按照從所述光源出射的所述單色光平面波的行進方向相對于所述聲透鏡的光軸所形成的角度、與所述單色光平面波的衍射光的行進方向相對于所述聲透鏡的光軸所形成的角度相等的方式，調整所述光源的位置。
15.根據權利要求10至13中任一項所述的光聲攝像系統，其中， 根據所述圖像信息，對所述光學像的畸變、或由所述圖像信息所生成的圖像的畸變進行校正。
16.一種光聲攝像裝置，其中，具備: 聲透鏡，其按照接收被照射到被攝物體上的超聲波的散射波的方式配置； 透光性聲介質，其在相對于所述聲透鏡為所述被攝物體的相反側的區域的、且包含所述聲透鏡的光軸的區域設置； 光源，其出射單色光平面波，且按照使所述單色光平面波的行進方向與所述聲透鏡的光軸以90度和180度以外的角度交叉的方式配置； 成像透鏡，其按照使在所述透光性聲介質中發生的、所述單色光平面波的衍射光會聚的方式配置；` 圖像接收部，其將由所述成像透鏡形成的光學像作為圖像信息取得。
【文檔編號】G01N29/00GK103442646SQ201280013458
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2011年6月17日
【發明者】寒川潮, 巖本卓也, 金子由利子, 橋本雅彥 申請人:松下電器產業株式會社