(57)【要約】【課題】大面積または長尺であっても音圧分布を高精度に測定することができる音圧分布測定装置を提供する。【解決手段】音圧分布測定装置１は、１次元または２次元にアレイ配置された複数の検出素子１１を有する検出素子アレイ部１０，電圧源２０，レーザ光源３０，光検出器４０およびハーフミラー５０を備える。各検出素子１１は、透明媒質１２，第１ミラー１３Ａ，第２ミラー１３Ｂ，第１電極１４Ａおよび第２電極１４Ｂを含む。第１ミラー１３Ａおよび第２ミラー１３Ｂは、透明媒質１２を挟んで互いに対向して配置されてファブリペロー干渉計を構成している。各検出素子１１は、音圧によって第１ミラー１３Ａと第２ミラー１３Ｂとの間の光路長が変化してファブリペロー干渉計の透過率または反射率が変化し、この透過率または反射率に応じた強度の光を出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
アレイ配置された複数の検出素子を有し、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を前記複数の検出素子それぞれに入力して、前記複数の検出素子それぞれから音圧に応じた強度の光を出力する検出素子アレイ部と、
前記複数の検出素子それぞれから出力される光の強度を検出する光検出器と、
を備え、
前記複数の検出素子それぞれは、透明媒質を挟んで互いに対向して配置されてファブリペロー干渉計を構成する第１ミラーおよび第２ミラーを含み、音圧によって前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間の光路長が変化して前記ファブリペロー干渉計の透過率または反射率が変化し、この透過率または反射率に応じた強度の光を出力する、
ことを特徴とする音圧分布測定装置。
【請求項２】
前記複数の検出素子それぞれにおける音圧変化量に対する出力光強度変化量の比である感度を調整する感度調整部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の音圧分布測定装置。
【請求項３】
前記感度調整部は、前記複数の検出素子それぞれにおける前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間の間隔を調整することで前記感度を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の音圧分布測定装置。
【請求項４】
前記感度調整部は、前記複数の検出素子それぞれにおける前記透明媒質の屈折率を調整することで前記感度を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の音圧分布測定装置。
【請求項５】
前記感度調整部は、前記レーザ光源から出力されて前記複数の検出素子それぞれに入力されるレーザ光の波長を調整することで前記感度を調整する、ことを特徴とする請求項２に記載の音圧分布測定装置。
【請求項６】
前記複数の検出素子それぞれは、前記透明媒質を挟んで互いに対向して配置された第１電極および第２電極を含み、
前記感度調整部は、前記複数の検出素子それぞれにおける前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧値によって前記感度を調整する、
ことを特徴とする請求項３または４に記載の音圧分布測定装置。
【請求項７】
前記複数の検出素子それぞれは、前記透明媒質の一方の側に並列して配置された第１電極および第２電極を含み、
前記感度調整部は、前記複数の検出素子それぞれにおける前記第１電極と前記第２電極との間に印加する電圧値によって前記感度を調整する、
ことを特徴とする請求項４に記載の音圧分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音圧分布測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファブリペロー干渉計の構成を有する音圧分布測定装置が非特許文献１に記載されている。このような音圧分布測定装置は生体計測の分野で使われている。特に、音圧分布測定と光音響効果測定とを併用して、生体において皮下血管が張り巡らされている様子を可視化する試みがなされている。
【０００３】
非特許文献１に記載された音圧分布測定装置は、パリレンと呼ばれる弾性を有する透明薄膜の両面にミラーが形成されてファブリペロー干渉計が構成された検出部を備える。この検出部に音圧が加えられると、その音圧分布に応じて透明薄膜の厚み分布が形成され、その厚み分布に応じてファブリペロー干渉計の反射率分布が形成される。このファブリペロー干渉計の反射率分布を光学的に測定することで、音圧分布を測定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】PC Beard, and TN Mills, “A 2Doptical ultrasound array using a polymer film sensing interferometer,” 2000IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, pp1183-1186, (2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ファブリペロー干渉計の構成を有する音圧分布測定装置では、そのファブリペロー干渉計を構成する２つのミラーの間隔を高精度に設定することが必要である。しかし、一般に大面積のファブリペロー干渉計において２つのミラーの間隔を高精度に設定することは困難である。
【０００６】
非特許文献１に記載された音圧分布測定装置でも、ファブリペロー干渉計において２つのミラーの間隔を高精度に設定した上で大面積にすることに限界があることから、生体計測において皮下の大きな体積を一度に可視化することができなかったり、空間に広がる回折音波を十分な広さの面積で受波することができなかったりして、得られる音圧分布の空間分解能が不足している。
【０００７】
なお、２次元の音圧分布を測定する場合だけでなく、１次元の音圧分布を測定する場合にも同様の問題が存在する。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、大面積または長尺であっても音圧分布を高精度に測定することができる音圧分布測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の音圧分布測定装置は、(1) レーザ光を出力するレーザ光源と、(2) アレイ配置された複数の検出素子を有し、レーザ光源から出力されるレーザ光を複数の検出素子それぞれに入力して、複数の検出素子それぞれから音圧に応じた強度の光を出力する検出素子アレイ部と、(3) 複数の検出素子それぞれから出力される光の強度を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。さらに、複数の検出素子それぞれは、透明媒質を挟んで互いに対向して配置されてファブリペロー干渉計を構成する第１ミラーおよび第２ミラーを含み、音圧によって第１ミラーと第２ミラーとの間の光路長が変化してファブリペロー干渉計の透過率または反射率が変化し、この透過率または反射率に応じた強度の光を出力することを特徴とする。
【００１０】
本発明の音圧分布測定装置は、複数の検出素子それぞれにおける音圧変化量に対する出力光強度変化量の比である感度を調整する感度調整部を更に備えるのが好適である。
【００１１】
感度調整部は、複数の検出素子それぞれにおける第１ミラーと第２ミラーとの間の間隔を調整することで感度を調整してもよいし、複数の検出素子それぞれにおける透明媒質の屈折率を調整することで感度を調整してもよいし、また、レーザ光源から出力されて複数の検出素子それぞれに入力されるレーザ光の波長を調整することで感度を調整してもよい。
【００１２】
本発明の音圧分布測定装置では、複数の検出素子それぞれは、透明媒質を挟んで互いに対向して配置された第１電極および第２電極を含み、感度調整部は、複数の検出素子それぞれにおける第１電極と第２電極との間に印加する電圧値によって感度を調整してもよい。或いは、複数の検出素子それぞれは、透明媒質の一方の側に並列して配置された第１電極および第２電極を含み、感度調整部は、複数の検出素子それぞれにおける第１電極と第２電極との間に印加する電圧値によって感度を調整してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の音圧分布測定装置は、大面積または長尺であっても音圧分布を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の音圧分布測定装置１の要部構成を示す図である。
【図２】本実施形態の音圧分布測定装置１の構成を示す図である。
【図３】各検出素子１１においてミラー１３Ａ，１３Ｂにより構成されるファブリペロー干渉計を説明する図である。
【図４】各検出素子１１においてミラー１３Ａ，１３Ｂにより構成されるファブリペロー干渉計の透過率または反射率（光検出器４０からの出力値）の特性を説明する図である。
【図５】検出素子アレイ部１０の構成例を示す断面図である。
【図６】検出素子アレイ部１０の構成例を示す断面図である。
【図７】検出素子アレイ部１０の構成例を示す断面図である。
【図８】検出素子アレイ部１０の構成例を示す断面図である。
【図９】検出素子アレイ部１０の各検出素子１１の電極１４Ａ，１４Ｂへの電圧印加の構成例を示す図である。
【図１０】検出素子アレイ部１０の各検出素子１１の電極１４Ａ，１４Ｂへの電圧印加の構成例を示す図である。
【図１１】検出素子アレイ部１０の平面図である。
【図１２】個々の検出素子１１の斜視図である。
【図１３】個々の検出素子１１の断面図である。
【図１４】個々の検出素子１１の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態の音圧分布測定装置１の要部構成を示す図である。音圧分布測定装置１は、１次元または２次元にアレイ配置された複数の検出素子１１を有する検出素子アレイ部１０を備える。検出素子アレイ部１０においてアレイ配置された複数の検出素子１１は共通の構成を有する。同図は、１個の検出素子１１の構成を示している。各検出素子１１は、レーザ光源から出力されるレーザ光を入力して、音圧に応じた強度の光を出力することができる。
【００１７】
各検出素子１１は、透明媒質１２，第１ミラー１３Ａ，第２ミラー１３Ｂ，第１電極１４Ａおよび第２電極１４Ｂを含む。透明媒質１２は、入力されるレーザ光に対して透明な媒質であり、気体（例えば空気），液体，液晶および固体の何れであってもよい。透明媒質１２は、パラキシリレン系ポリマー（パリレン）などの樹脂であってもよいし、ＢＢＯ結晶，ＬｉＴａＯ３結晶，ＫＴＢ結晶およびＬｉＮｂＯ３結晶などの電気光学結晶であってもよい。なお、電気光学結晶は、印加された電界に応じて屈折率が変化する結晶である。
【００１８】
ミラー１３Ａおよびミラー１３Ｂは、透明媒質１２を挟んで互いに対向して配置されており、ファブリペロー干渉計を構成している。音圧によってミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間の光路長が変化してファブリペロー干渉計の透過率または反射率が変化する。各検出素子１１は、このファブリペロー干渉計の透過率または反射率に応じた強度の光を出力することができる。
【００１９】
電極１４Ａおよび電極１４Ｂは、透明媒質１２，ミラー１３Ａおよびミラー１３Ｂを挟んで互いに対向して配置されている。電極１４Ａはミラー１３Ａの外側に設けられ、電極１４Ｂはミラー１３Ｂの外側に設けられている。電圧源２０は、電極１４Ａと電極１４Ｂとの間に電圧を印加する。電圧源２０により電極１４Ａ，１４Ｂに印加される電圧値は可変である。電極１４Ａと電極１４Ｂとの間に印加する電圧値に応じて、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間の光路長を調整することができる。なお、光路長は幾何学的距離と屈折率との積であるから、透明媒質１２の幾何学的距離（厚み）および屈折率の双方または何れか一方を調整することで、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間の光路長を調整することができる。なお、ミラー１３Ａおよびミラー１３Ｂが電極１４Ａおよび電極１４Ｂを挟む配置であってもよい。
【００２０】
図２は、本実施形態の音圧分布測定装置１の構成を示す図である。同図でも、１個の検出素子１１の構成を示している。音圧分布測定装置１は、１次元または２次元にアレイ配置された複数の検出素子１１を有する検出素子アレイ部１０を備える他、レーザ光源３０，光検出器４０およびハーフミラー５０を備える。
【００２１】
レーザ光源３０は、レーザ光を出力する。レーザ光源３０は例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源である。レーザ光源３０として任意のものが用いられ得る。ハーフミラー５０は、レーザ光源３０から出力されて到達したレーザ光を検出素子１１へ透過させるとともに、検出素子１１から出力されて到達したレーザ光を光検出器４０へ反射させる。光検出器４０は、検出素子１１から出力されハーフミラー５０により反射されて到達した光の強度を検出する。電極１４Ａ，１４Ｂのうちレーザ光が通過する位置にあるものは、レーザ光の波長において透明である材料（例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide））からなるのが好適である。
【００２２】
本実施形態の音圧分布測定装置１は以下のように動作する。１次元または２次元にアレイ配置された複数の検出素子１１を有する検出素子アレイ部１０の受波面に、測定したい音波を入力させる。レーザ光源３０から出力されたレーザ光は、ハーフミラー５０を透過して、検出素子アレイ部１０の各検出素子１１に入力される。各検出素子１１の透過率または反射率は音圧に応じて変化しているので、各検出素子１１において透過または反射されて出力されたレーザ光の強度も音圧に応じて変化する。各検出素子１１から出力されたレーザ光は、ハーフミラー５０で反射されて、光検出器４０により強度が検出される。各検出素子１１から出力されたレーザ光の強度が検出されることで、各検出素子１１における音圧が検知されて音圧分布が測定される。複数の検出素子１１が１次元にアレイ配置されている場合には、１次元の音圧分布が測定される。複数の検出素子１１が２次元にアレイ配置されている場合には、２次元の音圧分布が測定される。
【００２３】
本実施形態の音圧分布測定装置１は、各々ファブリペロー干渉計の構成を有する複数の検出素子１１がアレイ配置された検出素子アレイ部１０を用いて音圧分布を測定するので、個々の小面積の検出素子１１においてファブリペロー干渉計を構成する２つのミラーの間隔を高精度に設定することが可能となり、大面積または長尺であっても音圧分布を高精度に測定することができる。
【００２４】
各検出素子１１に対する光入力方向と光出力方向とは、図１および図２に示されるように互いに同一側であってもよいし、互いに反対側であってもよい。各検出素子１１に対する光入力方向と光出力方向とが互いに同一側である場合には、ハーフミラー５０が用いられて、各検出素子１１の反射率に応じた光強度が光検出器４０により測定される。各検出素子１１に対する光入力方向と光出力方向とが互いに反対側である場合には、ハーフミラー５０が用いられる必要はなく、各検出素子１１の透過率に応じた光強度が光検出器４０により測定される。何れの場合にも、検出素子アレイ部１０，レーザ光源３０または光検出器４０の配置によっては、ミラー等の光学素子が設けられてもよく、また、検出素子アレイ部１０の光出力面を光検出器４０の受光面に結像する為のレンズ等が設けられてもよい。
【００２５】
図３は、各検出素子１１においてミラー１３Ａ，１３Ｂにより構成されるファブリペロー干渉計を説明する図である。図４は、各検出素子１１においてミラー１３Ａ，１３Ｂにより構成されるファブリペロー干渉計の透過率または反射率（光検出器４０からの出力値）の特性を説明する図である。ミラー１３Ａ，１３Ｂは高い反射率（例えば９９％以上の反射率）を有している。
【００２６】
外部からレーザ光を入射させたときのファブリペロー干渉計の透過率または反射率は、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間に存在する透明媒質１２の屈折率ｎ、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間隔（幾何学的距離）ｄ、レーザ光の波長λおよび入射角θｉに依存する。また、検出素子１１における音圧変化量（すなわち、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間の光路長の変化量）に対する出力光強度変化量の比である感度は、透明媒質１２の屈折率ｎ、間隔（幾何学的距離）ｄ、波長λおよび入射角θｉに依存しており、図４に示されるように場合によって最大感度または最小感度となる。
【００２７】
光検出器４０は、各検出素子１１においてミラー１３Ａ，１３Ｂにより構成されるファブリペロー干渉計の透過率または反射率に応じた値ＩＲを出力する。この出力値ＩＲに基づいて音圧または音圧分布が求められる。したがって、透明媒質１２の屈折率ｎ、間隔（幾何学的距離）ｄ、波長λおよび入射角θｉは、最大感度が得られるように設定されることが望まれる。最大感度であれば、光検出器４０からの出力値ＩＲの変化量は、音圧変化量に対して略比例関係にある。
【００２８】
そこで、電極１４Ａ，１４Ｂおよび電圧源２０は、検出素子１１における音圧変化量に対する出力光強度変化量の比である感度を調整する感度調整部として用いられる。すなわち、電圧源２０により電極１４Ａ，１４Ｂに電圧を印加することで、電極１４Ａ，１４Ｂの間の静電作用によって、ミラー１３Ａ，１３Ｂの間の間隔（幾何学的距離）ｄを、最大感度が得られるｄMAXとなるように調整する。或いは、電圧源２０により電極１４Ａ，１４Ｂに電圧を印加することで、最大感度が得られるように透明媒質１２の屈折率ｎを調整する。
【００２９】
また、レーザ光源３０から出力されて各検出素子１１に入力されるレーザ光の波長λを調整することで感度を調整してもよい。ファブリペロー干渉計の透過率または反射率は、レーザ光の波長λに直接的に依存する他、波長λに応じて透明媒質１２の屈折率ｎが変化する場合に該屈折率変化を介して波長λに間接的に依存する。そこで、検出素子１１において最大感度が得られるように該検出素子１１に入力されるレーザ光の波長λを調整する。このとき、レーザ光源３０は、出力波長が可変のものであるのが好ましい。または、互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数のレーザ光源を用いて、これら複数のレーザ光源のうちの何れかのレーザ光源を選択してレーザ光を出力するようにしてもよい。各検出素子１１において最大感度が得られるレーザ光波長λを予め求めておくのが好ましい。
【００３０】
図５〜図８は、検出素子アレイ部１０の構成例を示す断面図である。図５（ａ），図６（ａ）は、複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａと電極１４Ｂとの間に電圧が印加されていない場合を示す。図５（ｂ），図６（ｂ）は、複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａと電極１４Ｂとの間に一様でない電圧が印加されている場合を示す。これらの図に示される構成例では何れも複数の検出素子１１それぞれの透明媒質１２は一体化されているが、複数の検出素子１１それぞれに個別に透明媒質１２が設けられてもよい。
【００３１】
図５に示される構成例では、複数の検出素子１１それぞれのミラー１３Ａ，１３Ｂおよび電極１４Ａ，１４Ｂは個別に設けられている。
【００３２】
図６に示される構成例では、複数の検出素子１１それぞれのミラー１３Ａは一体化されており、複数の検出素子１１それぞれのミラー１３Ｂも一体化されている。複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａ，１４Ｂは個別に設けられている。複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａは互いに電気的に接続されていてもよい。
【００３３】
図７に示される構成例では、複数の検出素子１１それぞれのミラー１３Ａは一体化されており、複数の検出素子１１それぞれのミラー１３Ｂも一体化されている。複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａ，１４Ｂは個別に設けられている。複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ａは互いに電気的に分離されており、複数の検出素子１１それぞれの電極１４Ｂも互いに電気的に分離されている。
【００３４】
図５〜図７に示される構成例では、各検出素子１１において、透明媒質１２を挟んで互いに対向して電極１４Ａおよび電極１４Ｂが配置されている。このように設けられた電極１４Ａ，１４Ｂに電圧を印加することにより、各検出素子１１において、ミラー１３Ａ，１３Ｂの間の間隔（幾何学的距離）ｄを調整することができ、或いは、透明媒質１２の屈折率ｎを調整することができる。
【００３５】
これに対して、図８に示される構成例では、透明媒質１２の一方の側に並列して電極１４Ａおよび電極１４Ｂが配置されている。透明媒質１２が例えば電気光学結晶である場合には、このように設けられた電極１４Ａ，１４Ｂに電圧を印加することにより、各検出素子１１において、透明媒質１２の屈折率ｎを調整することができる。
【００３６】
図５〜図８に示される構成例の何れの場合においても、電極１４Ａ，１４Ｂに電圧を印加することにより、最大感度となるように調整することができる。このように感度調整を行った後に、複数の検出素子１１を有する検出素子アレイ部１０の受波面に測定対象の音波を入力させるとともに、レーザ光源３０からレーザ光を出力させ、各検出素子１１から出力されたレーザ光の強度を光検出器４０により検出することで、検出素子アレイ部１０の受波面における音圧分布を高感度に測定することができる。
【００３７】
図９および図１０は、検出素子アレイ部１０の各検出素子１１の電極１４Ａ，１４Ｂへの電圧印加の構成例を示す図である。図９に示される構成例では、複数の検出素子１１に対して個々に設定された電圧を同時に印加することができる。図１０に示される構成例では、複数の検出素子１１に対して個々に設定された電圧を順次に印加することができる。図９に示される構成例と比較して、図１０に示される構成例では、配線の本数を低減することができる。
【００３８】
検出素子アレイ部１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro MechanicalSystems）技術を用いて作製され得る。図１１は、検出素子アレイ部１０の平面図である。図１２は、個々の検出素子１１の斜視図である。図１３は、個々の検出素子１１の断面図である。図１１に示されるように、検出素子アレイ部１０は、アレイ配置された複数の検出素子１１を有する。図１２および図１３に示されるように、ＭＥＭＳ技術により作製される各検出素子１１は、全体の概略形状としては透明媒質１２を内部に容れた箱形状を有しており、その箱の底面にミラー１３Ａが形成され、その箱の上面にミラー１３Ｂが形成されている。ミラー１３Ｂの４隅が梁１５によって箱の側壁に支持されている。このような梁構造によってミラー１３Ｂが側壁に支持されていることにより、音圧に応じて梁１５が撓んで、ミラー１３Ａとミラー１３Ｂとの間隔が変化する。
【００３９】
図１４は、個々の検出素子１１の他の構成例を示す図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は断面図を示す。同図に示される検出素子１１は、透明媒質１２が気体または液体であって、その透明媒質１２が待避することができる媒質待避部１６を有する。電極１４Ａ，１４Ｂに電圧が印加されることでミラー１３Ａ，１３Ｂの間の間隔ｄが変化したとき（間隔ｄの変化とともに透明媒質１２の屈折率も変化する場合を含む）、その間隔ｄの変化に応じて透明媒質１２が媒質待避部１６内に出入りすることができる。
【００４０】
複数の検出素子１１それぞれに個別に透明媒質１２が設けられる場合（すなわち、互いに隣り合う２つの検出素子１１それぞれの透明媒質１２が隔離されている場会）には、複数の検出素子１１それぞれに個別に媒質待避部１６が設けられる。複数の検出素子１１それぞれの透明媒質１２が一体化されている場合には、複数の検出素子１１それぞれに共通に１または複数の媒質待避部１６が設けられてもよい。
【００４１】
光検出器４０は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの２次元光検出器でもよい。この場合、レーザ光源３０から出力されるレーザ光のビーム径は、検出素子アレイ部１０の光出力面を光検出器４０の受光面に結像する為のレンズまたはビームエクスパンダ等により拡大されて、２次元光検出器の受光面と同じ程度かそれ以上であることが好ましい。
【００４２】
光検出器４０は、ラインセンサなどの１次元光検出器であってもよい。この場合、検出素子アレイ部１０へのレーザ光入射位置または１次元光検出器を直線的に走査することで、２次元の音圧分布を測定することができる。
【００４３】
光検出器は、フォトダイオード，アバランシェフォトダイオードおよび光電子増倍管など０次元光検出器であってもよい。この場合、検出素子アレイ部１０へのレーザ光入射位置または０次元光検出器を２次元的にラスター走査することで、２次元の音圧分布を測定することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…音圧分布測定装置、１０…検出素子アレイ部、１１…検出素子、１２…透明媒質、１３Ａ，１３Ｂ…ミラー、１４Ａ，１４Ｂ…電極、２０…電圧源、３０…レーザ光源、４０…光検出器、５０…ハーフミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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