(57)【要約】【課題】温度等の環境変化による超音波検出感度の変化や、超音波検出素子の位置による検出感度のバラツキを低減することのできる超音波受信装置において、超音波を受信する際のリアルタイム性を維持しながらコストダウンを図る。【解決手段】ブロードバンド光を発生する光源と、印加される超音波に基づいて、光源が発生した光を変調して反射する超音波検出手段と、超音波検出手段から反射された光を波長に応じて異なる方向に出射する分光手段と、分光手段によって分光された光を複数の波長成分ごとに検出する複数の光電変換素子を有する第１の光検出手段と、第１の光検出手段の検出結果に基づいて、分光手段によって分光された光に含まれる所定の波長成分を検出する第２の光検出手段とを有する。【選択図】　図１
2004089310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブロードバンド光を発生する光源と、
印加される超音波に基づいて、前記光源が発生した光を変調して反射する超音波検出手段と、
前記超音波検出手段から反射された光を波長に応じて異なる方向に出射する分光手段と、
前記分光手段によって分光された光を複数の波長成分ごとに検出する複数の光電変換素子を有する第１の光検出手段と、
前記第１の光検出手段の検出結果に基づいて、前記分光手段によって分光された光に含まれる所定の波長成分を検出する第２の光検出手段と、
を具備する超音波受信装置。
【請求項２】
前記第１の光検出手段の検出結果に基づいて、前記分光手段によって分光された光に含まれる所定の波長成分が前記第２の光検出手段に入射するように、前記分光手段と前記第２の光検出手段との間の光学的経路を調整する調整手段をさらに具備する請求項１記載の超音波受信装置。
【請求項３】
前記調整手段が、前記分光手段の角度を調整する、請求項２記載の超音波受信装置。
【請求項４】
前記分光手段によって分光された光を反射するミラーをさらに具備し、
前記調整手段が、前記ミラーの角度を調整する、
請求項２記載の超音波受信装置。
【請求項５】
前記分光手段が、前記超音波検出手段の複数の検出領域から導かれた複数の光線をそれぞれ並列に分光し、
前記第１の光検出手段が、前記分光手段によって分光された複数の光線を、それぞれの波長成分ごとに検出し、
前記第２の光検出手段が、前記第１の光検出手段の検出結果に基づいて、前記分光手段によって並列に分光された光にそれぞれ含まれる所定の波長成分を並列に検出する、
請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波受信装置に関する。なお、本願において、反射特性とは、波長に対する反射強度の関係を示すものをいう。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波を用いて高品位な３次元画像を取得するために、センサアレイを機械的に移動させることなく２次元画像を取得できる２次元センサの開発が進められている。
従来より、超音波の送信及び受信に用いられる素子（振動子）として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電素子が一般的に用いられてきた。しかしながら、これらの素子を用いて２次元センサアレイを作製する場合には、素子の微細加工と、多数の微細素子への配線が必要であり、現状以上の微細化と素子集積は困難である。また、それらが解決されたとしても、素子間のクロストークが増大したり、微細配線による電気的インピーダンスの上昇によりＳＮ比が劣化したり、微細素子の電極部が破壊し易くなるといった問題があるので、ＰＺＴやＰＶＤＦを用いた２次元センサアレイの実現は困難である。
【０００３】
このような問題を回避するために、受信した超音波信号を光信号に変換して検出する方式のセンサも研究されている。このような光検出方式の超音波センサとして、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧと略称）を用いるもの（例えば、非特許文献１参照。）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）構造を用いるもの（例えば、非特許文献２参照。）が報告されている。このような超音波センサを用いて２次元センサアレイを作製すると、多数の微細素子への電気的配線が不要で、且つ、良好な感度が得られるという利点がある。
【０００４】
また、２次元の検出面を有する光検出方式の超音波センサとして、ファブリーペロー構造を有するポリマー膜を超音波の検出に用いることも提案されている（非特許文献３参照。）。このような膜状の超音波センサは、多数の微細素子に対する加工が不要であるために、コストを抑制することができる。光検出方式の超音波センサは、超音波を受けて光の反射特性が変化する超音波検出素子を利用したものである。
【０００５】
しかしながら、このような超音波検出素子においては、温度や湿度の変化によって光の反射特性が変化するため、検出感度のバラツキが大きい。また、２次元検出面を有する超音波検出素子においては、検出面の各位置によって光の反射特性が異なり、検出感度のバラツキが生じてしまう。このように、光検出方式を用いた超音波受信装置においては、温度等の環境的要因や構造的要因による検出感度の変化を制御することが、実用上の大きな問題である。このために、例えば、光源から出射される光の波長を、超音波検出素子の感度が高くなる点に調整することが考えられるが、非常に急峻な反射特性に対して光源光の波長を合わせ込むのは困難である。一方、ブロードバンド光を、位置に応じて異なる反射特性を有する超音波検出素子に入射し、反射光をフィルタ分離する方式も考えられるが、この場合には、超音波検出素子の構成が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。さらに、超音波検出素子の検出領域ごとに反射特性を変化させる方式も考えられるが、この場合にも超音波検出素子の構成が複雑になり、やはり、コストが高くなってしまう。
【０００６】
【非特許文献１】
タカハシ　ノブアキ（防衛大），「ファイバーブラッググレーティングを用いた水中アコースティックセンサ（Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　Ｇｒａｔｉｎｇ）」，オプティカル　レビュー（ＯＰＴＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ），　Ｖｏｌ．　４，　Ｎｏ．　６　（１９９７），　ｐ．　６９１−６９４
【非特許文献２】
ウノ　ヤスト（東工大），「メガヘルツ超音波領域測定のためのファイバーオプティックマイクロプローブの製作と成果（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｂｅ　ｆｏｒ　Ｍｅｇａｈｅｒｔｚ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」，電学論Ｅ（Ｔ．　ＩＥＥ　Ｊａｐａｎ），　１１８巻１１号，平成１０年，　ｐ．４８７−４９２
【非特許文献３】
ベアード（Ｐａｕｌ　Ｃ．　Ｂｅａｒｄ）　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｌｏｎｄｏｎ），「広帯域な超音波検出のためのファブリーペローポリマーフィルムのトランスダクションメカニズム（Ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｆｉｌｍ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｃｏｎｃｅｐｔ　ｆｏｒ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，　Ｖｏｌ．　４６，　Ｎｏ．　６，　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９９９，　ｐ．１５７５−１５８２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、光検出方式を用いた超音波受信装置において、温度等の環境変化による超音波検出感度の変化や、超音波検出素子の位置による検出感度のバラツキを低減すると共に、超音波を受信する際のリアルタイム性を維持しつつコストダウンを図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波受信装置は、ブロードバンド光を発生する光源と、印加される超音波に基づいて、光源が発生した光を変調して反射する超音波検出手段と、超音波検出手段から反射された光を波長に応じて異なる方向に出射する分光手段と、分光手段によって分光された光を複数の波長成分ごとに検出する複数の光電変換素子を有する第１の光検出手段と、第１の光検出手段の検出結果に基づいて、分光手段によって分光された光に含まれる所定の波長成分を検出する第２の光検出手段とを具備する。
【０００９】
本発明によれば、超音波検出手段において反射された光を分光して異なる光電変換素子に入射させることにより、超音波検出素子の反射特性を求めることができる。また、その反射特性に基づいて、超音波を受信する際に用いる光電変換素子を予め選択することにより、最適な波長を有する光に基づいて検出信号を得ることができる。さらに、超音波検出素子の反射特性を求める際と、超音波を受信する際とにおいて異なる素子を用いることにより、目的に応じて最適な光電変換素子及び処理回路を適用することができるので、超音波を受信する際のリアルタイム性を維持しながら、装置全体としてコストダウンを図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。また、図２は、図１に示す超音波受信装置の光学系を示す模式図である。図１に示すように、この超音波受信装置は、光源１０と、分波器１１と、コリメートレンズ１２ａ及び１２ｂと、超音波検出素子２０と、分光器３０と、分光器角度調整部３１と、キャリブレーション用光電変換器４０と、信号検出用光電変換器５０とを有している。
【００１１】
光源１０は、超音波を検出するために用いられるブロードバンド光を発生する。光源１０としては、超音波検出素子２０が有する反射特性の傾斜帯域以上の範囲をカバーできる帯域幅を有するものを用いることが望ましい。このような光源として、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＡＳＥ（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源、若しくは、線幅の比較的大きいＬＤ（レーザダイオード）等のブロードバンド光源が挙げられる。
【００１２】
光源１０と分波器１１との間にはコリメートレンズ１２ａが配置されている。コリメートレンズ１２ａは、光源１０から出射する光を平行光にして分波器１１に入射させる。
分波器１１は、光源１０から出射してコリメートレンズ１２ａを通過した光を超音波検出素子２０に導くと共に、超音波検出素子２０によって反射されて戻ってきた光を分光器３１に導く。分波器１１は、例えば、ハーフミラー、光サーキュレータ、又は、偏光ビームスプリッターによって構成される。本実施形態においては、図２に示すように、分波器１１としてハーフミラーを用いている。ハーフミラーは、入射光を入射方向の反対方向に透過させ、入射方向の反対方向から戻ってくる光を、入射方向とほぼ９０°をなす方向に反射する。
【００１３】
超音波検出素子２０は、光検出方式によって超音波を検出する２次元センサである。本実施形態においては、超音波検出素子２０として、２次元の超音波受信面２０ａを有する多層膜センサを用いている。超音波検出素子２０は、光源２０から出射され、分波器１１を通過して入射した光を、超音波受信面２０ａの各位置に印加される超音波に基づいて変調して反射する。超音波検出素子２０の構造及び動作については、後で詳しく説明する。
【００１４】
ここで、図２に示すように、分波器１１を通過した光は、光伝送路１３を通って超音波検出素子２０に入射する。光伝送路１３としては、多数（例えば、１０２４本）の光ファイバを束ねたバンドルファイバ等が用いられる。図２には、１ライン上に配列された光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭが示されている。図１に示すように、多数の光ファイバは、超音波検出素子側（図中左側）においては受信面の形状（例えば、円状）に合わせて束ねられ、分波器１１側（図中右側）においては、１ライン上に配列される。或いは、１ライン上に配列された光ファイバを、複数段に重ねても良い。
【００１５】
光伝送路１３の先端部は、コリメート部１４を介して超音波検出素子２０に、光軸を合わせて接続されている。コリメート部１４としては、例えば、コリメートレンズがアレイ化されたコリメートレンズアレイが用いられる。光伝送路１３及びコリメート部１４の構成については、後で詳しく説明する。
また、分波器１１と光伝送路１３との間には、コリメートレンズ１２ｂが配置されている。コリメートレンズ１２ｂは、超音波検出素子によって反射され、光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭから出射した光を平行光にして分波器１１に入射させる。
【００１６】
分光器３０は、回折格子、プリズム、又は、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）等によって構成された複数の分光素子Ｓ１〜ＳＭを含んでいる。これらの分光素子Ｓ１〜ＳＭは、光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭから出射される光線Ｌ１〜ＬＭがそれぞれ入射するように配置されている。各分光素子は、入射する光線を分光し、波長に応じて異なる方向に出射する。
【００１７】
図１に示す分光器角度調節部３１は、超音波検出素子２０から反射されたブロードバンド光の内、所定の波長成分が信号検出の対象となるように光学系を調整する。即ち、分光器角度調整部３１は、キャリブレーション用光電変換器４０の検出結果に基づいて、所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射するように、複数の分光素子Ｓ１〜ＳＭの角度をそれぞれ調整する。ここで、図３には、分光器角度調整部３１の制御により、所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射している様子が示されている。
【００１８】
キャリブレーション用光電変換器４０は、超音波を受信する前に行われるキャリブレーションにおいて用いられる光検出器である。ここで、キャリブレーションとは、その時々の超音波検出素子２０の反射特性を測定し、検出信号として採用する波長成分を選択する作業のことをいう。キャリブレーション用光電変換器４０としては、複数の光電変換素子が２次元に配列され、入射光を位置ごとに分割して検出することができる２次元センサアレイが用いられる。このような２次元センサアレイとして、例えば、ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）や、ＭＯＳ型センサを用いることができる。或いは、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ）等のプログラマブルな２次元センサを用いても良い。キャリブレーション用光電変換器４０は、超音波を受信する時には用いられないので、処理能力が比較的低速なものでも適用することができる。
【００１９】
キャリブレーション用光電変換器４０の光電変換素子は、分光素子Ｓ１〜ＳＭによって分光された分光光が第１列〜第Ｍ列にそれぞれ入射するように配置されている。また、キャリブレーション用光電変換器４０の各列において、光電変換素子は、対応する分光素子によって分光された分光光が波長に応じて第１行〜第Ｎ行に入射するように配置されている。このように光電変換素子を配置することにより、例えば、キャリブレーション用光電変換器４０の第ｎ行第ｍ列に位置する光電変換素子から検出される信号は、光ファイバＯＦｍから出射した光線Ｌｍに含まれる波長λｎを有する成分であると特定される。
【００２０】
信号検出用光電変換器５０は、超音波を受信する時に用いられる光検出器である。信号検出用光電変換器５０としては、例えば、複数のＰＤが１次元に配列されたＰＤＡが用いられる。信号検出用光電変換器５０は、リアルタイムで超音波信号を受信するために、高速の信号処理能力を有していることが望ましい。図２に示すように、信号検出用光電変換器５０に含まれる複数の光電変換素子は、キャリブレーション用光電変換素子４０の複数の列にそれぞれ対応して配置されている。また、図３に示すように、超音波を受信する時には、分光光角度調整部３１の制御によって検出素子Ｓ１〜ＳＭの角度が調整され、それぞれの光線Ｌ１〜ＬＭについて、キャリブレーションによって選択された分光光が信号検出用光電変換器５０の対応する光電変換素子に入射する。
【００２１】
さらに、信号検出用光電変換器５０の後段には信号処理系統が設けられており、信号検出用光電変換器５０によって検出された信号の強度変化が、超音波検出素子に印加された超音波の振幅に変換される。
【００２２】
次に、図４を参照しながら、超音波検出素子２０の構造及び超音波の検出原理について詳しく説明する。超音波検出素子２０は、基板２１と、該基板の上に積層された多層膜２２とを含む多層膜センサである。
【００２３】
基板２１は、超音波を受信することによって歪む膜状の基板であり、例えば、直径２ｃｍの円と同等か、それ以上の面積を有している。基板２１には、異なる屈折率を有する２種類の材料層を交互に積層することにより、ブラッググレーティング構造を有する多層膜２２が形成されている。図４には、屈折率ｎ１を有する材料層Ａと、屈折率ｎ２を有する材料層Ｂとが示されている。
【００２４】
多層膜２２の周期構造のピッチ（間隔）をｄとし、入射光の波長をλとすると、ブラッグの反射条件は次の式で表される。ただし、ｍは任意の整数である。
２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ　・・・（１）
ここで、θは入射面から測った入射角であり、θ＝π／２とすると次の式のようになる。
２ｄ＝ｍλ　・・・（２）
ブラッググレーティングは、ブラッグの反射条件を満たす特定の波長の光を選択的に反射し、その他の波長の光を透過させる。
【００２５】
超音波検出素子２０に超音波を伝搬させると、超音波の伝搬に伴い超音波検出素子２０が歪み、多層膜２２の各位置において周期構造のピッチｄが変化する。これに伴い、選択的に反射される光の波長λが変化する。ブラッググレーティングの反射特性においては、最も反射率の高い（透過率の低い）中心波長の前後に反射率の変化する傾斜帯域があり、この傾斜帯域の範囲に中心波長を有する光を多層膜２２に入射させながら超音波を加える。すると、受信面の各位置における超音波の強さに応じた反射光（又は透過光）の強度変化を観測できる。この光の強度変化を超音波の強度に換算することにより、超音波の２次元強度分布情報を取得できる。
【００２６】
基板２１の材料としては、石英ガラス（ＳｉＯ２）やＢＫ７（ショット社の製品）等の光学ガラス等が用いられる。また、材料層Ａ及びＢに用いられる物質としては、屈折率が互いに１０％以上異なる物質の組み合わせが望ましい。これには、例えば、ＳｉＯ２と酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）との組み合わせや、ＳｉＯ２と酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）との組み合わせ等が挙げられる。材料層Ａ及びＢは、基板２１上に、真空蒸着やスパッタリング等の方法によって形成される。
【００２７】
ところで、超音波の多重反射を抑制するためには、超音波が伝搬する距離を長くすることが有効である。超音波は伝搬する間に少なからず減衰し、伝搬距離が長いほど減衰量は多くなる。そこで、十分な伝搬距離を取れば、一端に伝搬した超音波が他端において反射して戻る間に、超音波を十分に減衰させることができる。このため、本実施形態においては、光伝送路として光ファイバを用い、受信した超音波を光ファイバに伝搬させている。即ち、光伝送路に、光を通過させる機能と共に超音波を減衰させるバッキング部としての機能を持たせている。
【００２８】
図５は、図２に示す光伝送路１３、コリメート部１４、及び、超音波検出素子２０の一部を拡大して示す断面図である。図５に示すように、光伝送路（バンドルファイバ）１３に含まれる光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…は、コリメート部（コリメートレンズアレイ）１４に含まれる複数のコリメートレンズ１４ａに、それぞれ光軸を合わせて接続され、さらに、超音波検出素子２０に２次元的に配置されて接続されている。光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…は、接着剤２４を用いて束ねられている。
【００２９】
光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…は、例えば、２ｍ程度の長さを有するシングルモード又はマルチモードファイバであり、樹脂系材料を含む粘度の低い部材（被覆材２３）で覆われている。光ファイバを伝搬する間に超音波を減衰させるためには、２ｍという長さは効果的であるが、光ファイバを上記の部材で被覆することにより、超音波の伝搬エネルギー損失をさらに大きくして超音波減衰を早めることができる。
【００３０】
ここで、光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…中を伝送される光は、該光ファイバから出射する際に回折する。このため、光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…を超音波検出素子２０に直接接続すると光が拡散してしまい、超音波検出素子内で十分な干渉が生じなくなる。このため、検出感度が著しく悪くなってしまう。この現象を避けるため、光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…の一端には、出射光の拡散を防止するためにコリメートレンズ１４ａがそれぞれ接続されている。
【００３１】
コリメートレンズ１４ａとしては、グラディアントインデックスレンズ（ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｎｄｅｘ　ｌｅｎｓ、以下ＧＲＩＮレンズと略す）が用いられる。ＧＲＩＮレンズは、例えば、セルフォック（Ｓｅｌｆｏｃ：日本板硝子株式会社の登録商標）レンズという製品名で知られている。ＧＲＩＮレンズは、位置によって異なる屈折率を有する屈折率分布型レンズであり、その長さを変えることによって光学特性が変化する。例えば、ＧＲＩＮレンズを物体像面間距離（光が正立に結像するピッチ）の１／４の長さにすると、入射光が平行光となって出射される。
【００３２】
本実施形態においては、セルフォックレンズが多数配列されたセルフォックレンズアレイＮＡ０．４６（日本板硝子株式会社の製品）を、０．２５Ｌの長さ（Ｌは、物体像面間距離）で使用し、それぞれのセルフォックレンズをコリメートレンズ１４ａとして光ファイバに接続している。
【００３３】
図５に示すように、コリメートレンズ１４ａを被覆材２３によって覆っても良い。光ファイバＯＦ１、ＯＦ２、…におけるのと同様に、超音波を早く減衰させるためである。
【００３４】
光ファイバとコリメートレンズ、又は、コリメートレンズと超音波検出素子は、融着又は接着剤を用いて接続される。接着剤を用いる場合には、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いることが望ましい。このような接着剤においては、音響インピーダンスが光ファイバ及びコリメートレンズの部材や超音波検出素子の基板と近似しているので、超音波が伝搬する際にそれぞれの部材の境界において反射するのを抑制できるからである。また、複数の光ファイバを束ねるための接着剤２４としても、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いることが望ましい。超音波を減衰させ、隣接する光ファイバ間における超音波のクロストークを防ぐと共に、ケーブルとしての柔軟性を保つことができるからである。本実施形態においては、このような接着剤として、ＳＴＹＣＡＳＴ（Ｅｍｅｒｓｏｎ　＆　Ｃｕｍｉｎｇ社の製品）を用いている。
【００３５】
次に、本実施形態に係る超音波受信装置の動作について、図１〜３、図６、及び、図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波受信装置の動作を示すフローチャートである。
【００３６】
まず、超音波を受信する前に、キャリブレーションを行う。ここで、超音波検出素子は、温度や湿度等の周囲の環境に対して非常に敏感であり、光の反射特性が変化しやすい。例えば、ブラッググレーティングを用いた超音波検出素子の反射光の中心波長は、０．０１ｎｍ／℃の割合で変化する。また、２次元検出面を有する超音波検出素子においては、検出面の微小領域ごとに構造的なバラツキがある。このような環境的又は構造的な要因による感度の変化を低減するために、事前にキャリブレーションを行う。なお、このキャリブレーションは、超音波の受信を開始した後に、随時行っても良い。
【００３７】
ステップＳ１において、超音波受信装置を駆動する。これより、例えば、図７の（ａ）に示すようなスペクトル特性を有するブロードバンド光が、光源１０から出射する。図２に示すように、光源１０から出射した光は、コリメートレンズ１２ａ、分波器１１、コリメートレンズ１２ｂを通過し、１ライン上に配列されている光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭに入射する。各光ファイバを介して伝送された光は、超音波検出素子２０の各微小領域に入射し、各微小領域の反射特性に対応して反射した光が光ファイバから出射する。光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭから出射した光線Ｌ１〜ＬＭは、再び、コリメートレンズ１２ｂを通過し、分波器１１によって反射され、分光器３０に入射する。光線Ｌ１〜ＬＭは、分光器３０に含まれる分光素子Ｓ１〜ＳＭにおいて並列に分光され、それぞれの分光光が、キャリブレーション用光電変換器４０のそれぞれの列に含まれる複数の光電変換素子に、波長に応じて入射する。
【００３８】
これにより、ステップＳ２において、光線Ｌ１〜ＬＭに対応するキャリブレーション用光電変換器４０のそれぞれの列から、波長λ１〜λＮに対応する複数の光電変換素子の検出信号が得られる。図１に示すように、この検出結果は分光器角度調整部３１に入力される。
【００３９】
図７の（ｂ）は、キャリブレーション用光電変換器４０の第ｍ列に含まれる複数の光電変換素子から出力された検出信号に基づいて得られたグラフである。即ち、このグラフは、光ファイバＯＦｍを通過し、これに対応する超音波検出素子の微小領域から反射された光線Ｌｍのスペクトル分布を表している。図７の（ｂ）に示すように、光線Ｌｍは、ブラッグの反射条件によって選択的に反射される波長λＸにおいて、最も高い強度を有している。
【００４０】
図７の（ｃ）は、光線Ｌｍに対応する超音波検出素子の微小領域におけるブラッググレーティングの反射特性を示している。先にも述べたように、ブラッググレーティングの反射特性においては、最も反射率の高い（透過率の低い）中心波長λＸの前後に反射率が急峻に変化する傾斜帯域Δλがある。超音波を印加してブラッググレーティングの構造の変化を観察すると、この傾斜帯域Δλの分光領域において、大きな強度変化が観察される。これは、図７の（ｂ）及び（ｃ）において、λｎによって表されている。
【００４１】
即ち、光線Ｌｍに対応する超音波検出素子の微小領域については、波長λｎを中心波長とする分光領域の光が最も大きな強度変化を示す。従って、超音波を受信する際に、この分光領域の光を検出信号として用いることにより、最も高い検出感度を得ることができる。
【００４２】
ステップＳ３において、分光器角度調整部３１は、事前検出の結果に基づいて、それぞれの光線Ｌ１〜ＬＭについて所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射するように、分光素子Ｓ１〜ＳＭの角度をそれぞれ調整する。図３に示すように、例えば、光線Ｌｍについては、波長λｎを有する分光光が信号検出用光電変換器５０の第ｍ番目の光電変換素子に入射するように、分光素子Ｓｍの角度が調整される。これにより、光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭから出射する光線Ｌ１〜ＬＭについて、反射特性の傾斜帯域に中心波長を有する分光領域の光が、信号検出用光電変換器５０の対応する光電変換素子にそれぞれ入射するようになる。
【００４３】
次に、超音波の受信を行う。
ステップＳ４において、超音波受信装置を駆動する。これにより、光源から出射したブロードバンド光は、光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭを通って超音波検出素子２０の微小領域に入射する。それぞれの微小領域から反射された光線Ｌ１〜ＬＭは、分光器３０において分光され、それぞれの光線ごとに所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射する。
【００４４】
この状態で、超音波検出素子２０に超音波を印加する（ステップＳ５）。それにより、超音波検出素子２０の各微小領域において周期構造のピッチが変化し、信号検出用光電変換器５０に含まれるそれぞれの光電変換素子から出力される検出信号は、大きな強度変化を示す。
【００４５】
次に、ステップＳ６において、信号検出用光電変換器５０に含まれる複数の光電変換素子から出力される検出信号を取得する。さらに、これら検出信号を処理して反射光の強度変化を超音波の強度に換算する。これにより、超音波検出素子の各微小領域に印加された超音波の強度が２次元的に測定される。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置について説明する。図８は、本実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置における分光器３０の替わりに分光器６０を有し、分光器角度調整部３１の替わりにミラー６１及びミラー角度調整部６２を有している。その他の構成については、図１及び図２に示す超音波受信装置と同様である。
【００４７】
分光器６０は、例えば、回折格子やプリズムによって構成され、入射光を波長に応じて異なる方向に出射する。本実施形態においては、第１の実施形態におけるのと異なり、分光器６０が複数の分光素子に分割されている必要はなく、分光器の角度が固定されていても構わない。
【００４８】
ミラー６１は、角度が可変である複数のミラー素子を含んでいる。これらのミラー素子は、光ファイバＯＦ１〜ＯＦＭから出射される光線Ｌ１〜ＬＭ、及び、キャリブレーション用光電変換器４０の複数の列にそれぞれ対応している。各ミラー素子は、分光器６０によって分光された各光線の複数の分光光を入射角に応じて異なる方向に反射し、キャリブレーション用光電変換器４０の各列に含まれる複数の光電変換素子にそれぞれ入射させる。
【００４９】
ミラー角度調整部６２は、キャリブレーション用光電変換器４０の検出結果に基づいて、分光器６０によって分光された分光光の内、所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射するように、ミラー６１に含まれるそれぞれのミラー素子の角度を調整する。
【００５０】
本実施形態に係る超音波受信装置の動作において、分光光の角度調整は次のようにして行われる。まず、キャリブレーションにおいて、超音波検出素子２０の各微小領域に接続されている光ファイバを通って伝送された光は、分光器６０において分光され、これにより、複数の分光光が波長に応じて異なる方向に出射する。これらの分光光は、ミラー６１に含まれるミラー素子に反射し、キャリブレーション用光電変換器４０の１つの列に含まれる複数の光電変換素子に、波長成分ごとに入射して検出される。このキャリブレーション用光電変換器４０の検出結果は、ミラー角度調整部６２に入力される。ミラー角度調整部６２は、入力された検出結果に応じて、所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射するように、ミラー素子の角度を調整する。なお、超音波信号の検出に用いられる分光光を選択する原理については、本発明の第１の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る超音波受信装置のその他の動作については、図６を用いて説明したのと同様である。
【００５１】
本実施形態によれば、ミラー素子の角度を調整することにより、超音波の検出に用いられる分光光の進行方向を調節する。このため、分光器を固定しておくことができるので、微妙な角度調整に適さない分光器でも使用することができ、使用できる分光器の選択肢が広がる。また、分光光の出射角は分光器の特性と波長によって決定されるが、例えば、ミラー素子の曲率を調節することにより、複数の分光光の進行方向をキャリブレーション用光電変換器４０における光電変換素子の配置に合わせて調整することも可能になる。
【００５２】
以上説明したように、第１及び第２の実施形態においては、分光器やミラーの角度を調整することにより、所定の波長を有する分光光が信号検出用光電変換器に入射するように分光光の光学的経路を調整したが、同様の作用をもたらす構成であれば、これらの実施形態に限定されず本発明に適用することができる。例えば、信号検出用光電変換器に含まれる光電変換素子の位置をそれぞれ制御する手段を設け、分光器から出射する分光光の進行方向を変更しないで光電変換素子の位置を変更することにより、信号検出の対象となる分光光が光電変換素子に入射させるようにしても良い。或いは、分光器としてＡＷＧを用いて複数の分光光を平行に出射させ、ＡＷＧ又は光電変換素子を相対的に平行移動させることにより、所定の波長を有する分光光を光電変換素子に入射させるようにしても良い。
【００５３】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波受信装置について、図９を参照しながら説明する。本実施形態に係る超音波受信装置は、図２に示す超音波検出素子２０の替わりに、図９に示す超音波検出素子（エタロンセンサ）７０を用いるものである。その他の構成については、図１及び図２を用いて説明したのと同様である。
【００５４】
図９に示すように、基板７１は、超音波によって変形する膜状の基板である。基板７１に対向して、基板７２が配置されており、これらはエタロンと同様の構造を形成している。
【００５５】
基板７１及び７２の反射率をＲ、これらの基板の間隔をｄとし、入射光の波長をλとすると、エタロンの透過率は次のように表される。ただし、ｎは任意の整数である。
Ｔ＝｛１＋４Ｒ／（１−Ｒ）２・ｓｉｎ２（φ／２）｝−１　…（３）
φ＝２π／λ・２ｎｄ・ｃｏｓθ　…（４）
ここで、θは出射面の垂線から測った出射角であり、θ＝０とすると次の式のようになる。
φ＝４πｎｄ／λ　…（５）
エタロンは、波長λの光を透過率Ｔで透過し、反射率Ｒ＝（１−Ｔ）で反射する。
【００５６】
超音波検出素子７０に超音波を伝搬させると、基板７１が歪み、受信面の各位置において基板７１及び７２の間隔ｄが変化するので、波長λの光の反射率が変化する。そこで、図６を用いて説明したのと同様に、キャリブレーションを行い、反射特性の変化率の大きい領域に中心波長を有する光が検出されるように分光光の出射角を調整し、ブロードバンド光を入射させながら基板７１に超音波を印加する。これにより、受信面の各位置における超音波の強さに応じた反射光の強度変化を観測できる。この反射光の強度変化を超音波の強度に換算することにより、超音波の強度を２次元的に計測することができる。
【００５７】
次に、本発明の第４の実施形態に係る超音波受信装置について、図１０を参照しながら説明する。本実施形態においては、図２に示す超音波検出素子２０、光伝送路１３、及び、コリメート部１４の替わりに、図１０の（ａ）に示すように、超音波有感部を有するバンドルファイバ８０を用いている。その他の構成については、図１及び図２を用いて説明したのと同様である。
【００５８】
図１０の（ｂ）に、バンドルファイバ８０に含まれる１本のファイバ８０ａの構成を示す。このファイバ８０ａは、光ファイバ８１ａとコリメートレンズ８２ａとを含んでいる。本実施形態においては、第１の実施形態におけるのと同様に、コリメートレンズ８２ａとして、０．２５Ｌの長さを有するセルフォックレンズを用いている。また、両者は、融着又はエポキシ系を含む樹脂系接着剤によって接続されている。
【００５９】
コリメートレンズ８２ａの一端には、２種類の材料層が交互に積層された多層膜８３ａが形成されている。この多層膜８３ａが、ブラッググレーティング構造を構成し、超音波有感部として作用する。多層膜８３ａの材料としては、例えば、ＳｉＯ２と酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）との組み合わせや、ＳｉＯ２と酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）との組み合わせ等が用いられる。このような材料層は、コリメートレンズ８２ａ上に、蒸着によって形成されている。
【００６０】
ファイバ８０ａは、ファイバ８０ａの一端に伝搬した超音波が他端において反射する前に超音波が減衰してしまうように、粘度の低い部材（被覆材８４ａ）によって覆われている。さらに、図１０の（ｂ）に示すように、被覆材８４ａがコリメートレンズ８２ａまで覆うようにしても良い。これにより、ファイバ８０ａに伝搬した超音波のエネルギー損失を大きくすることができるので、超音波を早く減衰させてバッキング部としての効果を上げることができる。
このようなファイバ８０ａ、８０ｂ、…を、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いて多数束ねることにより、超音波有感部を有するバンドルファイバ８０が作製される。
【００６１】
以上説明した第１〜第４の実施形態においては、光増幅器を付加することによって超音波検出性能を向上させることができる。この変形例について、図１１を参照しながら説明する。
【００６２】
図１１に示す超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器１５と光増幅器１６との内の少なくとも一方を追加したものである。光増幅器１５は、コリメートレンズ１２ａと分波器１１の間に配置され、コリメートレンズ１２ａから入射した平行光を増幅して分波器１１に出射する。一方、光増幅器１６は、分波器１１と分光器３０の間に配置され、分波器１１から入射した光を増幅して分波器３１に出射する。
【００６３】
光増幅器としては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ（Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）が使用される。このＥＤＦＡは、光の強度を約１桁から２桁上昇させることができる。
【００６４】
このような光増幅器を、光源１０と超音波検出素子２０との間に配置した場合には、超音波検出素子２０に入射する入射光の強度が増幅される。また、光増幅器を超音波検出素子２０と分光器３０との間に配置した場合には、超音波検出素子２０に入射する入射光の強度は変化しないが、光電変換器４０又は５０に入射する反射光の強度が増幅される。この場合には、受信した超音波によって変調された反射光の強度変化も増幅されることになる。
【００６５】
いずれにしても、光の状態で強度を増幅することにより光電変換器４０又は５０に入射する反射光の光量が増加するので、光電変換器４０又は５０における電気的なノイズの影響を低減し、超音波受信装置のＳＮ比を向上させることができる。さらに、両者を併用する場合には、より一層のＳＮ比の向上が実現可能である。
【００６６】
次に、本発明の第１〜第４の実施形態に係る超音波受信装置を適用した超音波撮像装置について説明する。図１２は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置を適用した超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。なお、本発明の第２〜第４の実施形態に係る超音波受信装置についても、図１２に示すのと同様に超音波撮像装置に適用することができる。
【００６７】
図１２に示すように、超音波検出部９０は、本発明の第１の実施形態における超音波検出素子２０を含んでおり、光伝送路を介してコリメートレンズ１２ｂに接続されている。超音波検出部９０には、光源から発生し、分波器１１を通過した光が入射している。キャリブレーションを行う際には、超音波検出素子２０において反射された光は、コリメートレンズ１２ｂや分波器１１を介して分光器３０に入射し、キャリブレーション用光電変換器５０に入射する。これにより、超音波の検出に用いられる波長成分を有する分光光が選択される。
【００６８】
また、この超音波撮像装置は、超音波送信部９１と駆動信号発生回路９２とを含んでいる。超音波送信部９１は、駆動信号発生回路９２から発生する駆動信号に基づいて超音波を送信する。超音波送信部９１は、例えば、圧電素子に電極を形成した振動子によって構成される。圧電素子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の高分子圧電素子に代表される圧電性を有する材料等を含んでいる。振動子の電極に、駆動信号発生回路９２からパルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は微少な機械的振動を生じる。このような機械的振動により、超音波パルス或いは連続波超音波が発生する。
【００６９】
超音波送信部９１から送信された超音波は、診断対象によって反射され、超音波検出部９０に受信される。これにより、超音波検出部９０に入射している光が、超音波検出部９０に印加される超音波に基づいて変調されて反射される。反射された光は、コリメートレンズ１２ｂや分波器１１を介して分光器３０に入射し、キャリブレーションにおいて選択された波長成分を有する分光光が信号検出用光電変換器５０に入射する。
【００７０】
また、この超音波撮像装置は、タイミングコントロール部１００と、信号処理部１１０と、Ａ／Ｄ変換器１２０と、１次記憶部１３０と、画像処理部１４０と、画像表示部１５０と、２次記憶部１６０とを含んでいる。
信号検出用光電変換器５０に含まれる複数の光電変換素子からそれぞれ出力される検出信号は、信号処理部１１０において位相調整、対数増幅、検波等の処理を施され、さらに、Ａ／Ｄ変換器１２０においてディジタル信号に変換される。
【００７１】
１次記憶部１３０は、変換されたデータに基づく複数枚の面データを記憶する。画像処理部１４０は、それらのデータに基づいて、２次元データ又は３次元データを再構成すると共に、補間、レスポンス変調処理、階調処理等の処理を施す。画像表示部１５０は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、これらの処理を施された画像データに基づいて画像を表示する。さらに、２次記憶部１６０は、画像処理部１４０において処理されたデータを記憶する。
【００７２】
タイミングコントロール部１００は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生回路９２を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後に信号検出用光電変換器５０から出力される検出信号を取り込むように、信号処理部１１０を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールすることにより、読み取る時間帯を限定し、被写体の特定の深さからの超音波の反射を光検出することができる。
このような超音波撮像装置において、超音波検出部９０と超音波送信部９１とは、別々に設けても良いし、これらを一体化させることにより、超音波用探触子を形成しても良い。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、キャリブレーションによって求められた超音波検出素子の反射特性に基づいて、ブロードバンド光の分光光の中から超音波の検出に用いる光の波長を検出領域ごとに選択するので、温度や湿度等の環境によって反射特性が変化しても、高い検出感度を維持することが可能である。また、同様に、超音波検出素子の検出領域ごとに感度のバラツキを抑えることも可能である。従って、光源光の波長や超音波検出素子の反射特性を制御する必要がなくなり、超音波受信装置の構成を簡単にして小型化することが可能になる。
【００７４】
さらに、本発明によれば、異なる２つの光電変換器を使い分けるので、それぞれの目的に対して最適な構成を取ることが可能になる。具体的には、広帯域な特性を把握するために低速処理の２次元光電変換器を用いてキャリブレーションを行い、それにより選択された分光光のみを高速処理の１次元光電変換器に入射させて検出している。これにより、超音波検出を行う際のリアルタイム性を維持しながら、コストダウンを図ることが可能になる。特に、１次元光電変換器後段に設けられる信号処理回路は、１次元光電変換器に含まれる光電変換素子数の分のみで足りるので、大幅にコストを低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す超音波受信装置に含まれる光学系を示す模式図である。
【図３】図２に示す光学系において、分光素子の角度が調整されている様子を示す模式図である。
【図４】図２に示す超音波検出素子の超音波検出原理を説明するための図である。
【図５】図２に示す超音波検出素子、コリメート部、及び、光伝送路の接続部分を拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の動作を説明するための図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る超音波受信装置の一部を示す模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る超音波受信装置の一部を示す模式図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の変形例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置を適用した超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０　光源
１１　分波器
１２ａ、１２ｂ、１４ａ　コリメートレンズ
１３　光伝送路
１４　コリメート部
１５、１６　光増幅器
２０、７０　超音波検出素子
２０ａ　超音波受信面
２１、７１、７２　基板
２２、８３ａ、８３ｂ、…　多層膜
２３　被覆材
２４　接着剤
３０、６０　分光器
３１　分光器角度調整部
４０　キャリブレーション用光電変換器
５０　信号検出用光電変換器
６１　ミラー
６２　ミラー角度調整部
８０　超音波有感部を有するバンドルファイバ
８０ａ、８０ｂ、…　ファイバ
８１ａ、８１ｂ、…、ＯＦ１〜ＯＦＭ　光ファイバ
８２ａ、８２ｂ、…　コリメートレンズ
８４ａ、８４ｂ、…　被覆材
９０　超音波検出部
９１　超音波送信部
９２　駆動信号発生回路
１００　タイミングコントロール部
１１０　信号処理部
１２０　Ａ／Ｄ変換器
１３０　１次記憶部
１４０　画像処理部
１５０　画像表示部
１６０　２次記憶部
【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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