(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブロードバンド光源と、
前記ブロードバンド光源から発生した光を狭帯域化する狭帯域化フィルタと、
印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子であって、伝搬する超音波の波長の３／４以下の長さを有する超音波有感部を有する前記超音波検出素子と、
前記超音波検出素子から出力される光を検出する光検出器とを具備し、
前記超音波有感部が、ブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造を含み、
前記狭帯域化フィルタが、前記超音波検出素子のブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造と同一の材料で構成されたブラッググレーティング構造又は多層膜構造を有し、
前記狭帯域化フィルタのブラッググレーティング構造又は多層膜構造と前記超音波検出素子のブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造とが、熱的に結合している超音波受信装置。
【請求項２】
前記超音波検出素子が、光が入射する第１の端部を有する光ファイバの第２の端部に形成されたファイバブラッググレーティングである、請求項１記載の超音波受信装置。
【請求項３】
前記光ファイバが、シングルモードファイバである、請求項２記載の超音波受信装置。
【請求項４】
前記超音波検出素子の多層膜センサ構造が、異なる屈折率を有する２種類の材料を交互に積層することにより形成される多層膜を含む、請求項１記載の超音波受信装置。
【請求項５】
前記異なる屈折率を有する２種類の材料が、互いに少なくとも１０％異なる屈折率を有する、請求項４記載の超音波受信装置。
【請求項６】
前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／４の膜厚を有する層を含む、請求項４又は５記載の超音波受信装置。
【請求項７】
前記多層膜を形成する各材料の層が、該多層膜に入射する光の波長の概１／２の膜厚を有する層をさらに含む、請求項６記載の超音波受信装置。
【請求項８】
光源から発生した光を増幅して前記超音波検出素子に入射する光増幅器を具備する請求項１〜７のいずれか１項記載の超音波受信装置。
【請求項９】
前記超音波検出素子から出力される光を増幅して前記光検出器に入射する光増幅器を具備する請求項１〜８のいずれか１項記載の超音波受信装置。
【請求項１０】
５００〜１６００ｎｍの波長を有するシングルモードレーザ光を発生する光源を具備する請求項１〜９のいずれか１項記載の超音波受信装置。
【請求項１１】
前記ブロードバンド光源が、増幅された自然放出光を放出するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源である、請求項１記載の超音波受信装置。
【請求項１２】
前記光検出器が、ＣＣＤ、ＭＯＳ型センサ、又は、フォトダイオードを含む、請求項１〜１１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、超音波受信装置に関し、特に、光を用いて超音波を検出する超音波受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を用いて３次元画像を取得する際には、深度方向の断面についての２次元画像を複数取得して合成していた。この２次元画像は、位置センサ付きの１次元センサアレイを用いて被検体をスキャンすることにより得られ、さらに、時系列で取得した複数の２次元画像を合成することにより、３次元画像が得られる。
【０００３】
しかしながら、この手法によれば、１次元センサアレイのスキャン方向にタイムラグがあるため、異なる時刻における断面像を合成することになり、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、生体のような、動きを伴う被写体のイメージングには適していない。
【０００４】
リアルタイムで３次元画像を取得するためには、センサアレイを用いて被検体をスキャンすることなく２次元画像を取得することができる２次元センサアレイが必須であり、このようなセンサアレイの開発が望まれている。
【０００５】
超音波診断装置において、超音波の送受信を行う素子（振動子又は探触子）としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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を用いるのが一般的であり、これらの素子を用いて２次元アレイを作製する手法が検討されている。しかし、上述のＰＺＴやＰＶＤＦを用いる場合には、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。
【０００６】
一方、ＰＺＴのような圧電材料を用いない超音波センサとして、光ファイバを利用し、超音波信号を光信号に変換して検出する方式（以下、光検出方式という）のセンサも知られている。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（防衛大のＴＡＫＡＨＡＳＨＩらによる「Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ」ＯＰＴＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６  （１９９７）ｐ．６９１−６９４参照）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）構造を用いるもの（東工大のＵＮＯらによる「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａＦｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｍｉｃｒｏ−Ｐｒｏｂｅ  ｆｏｒ  Ｍｅｇａｈｅｒｔｚ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」Ｔ．ＩＥＥ  Ｊａｐａｎ，  Ｖｏｌ．１１８−Ｅ，Ｎｏ．１１，’９８参照）が報告されている。
【０００７】
上記のＴＡＫＡＨＡＳＨＩらの論文には、ＦＢＧを超音波センサとして用いた場合に、２０ｋＨｚ程度の比較的低い周波数帯域の超音波に対してある感度が得られることが記載されている。しかしながら、実際の超音波診断において用いられるメガヘルツの周波数帯域の超音波については記載されていない。従って、超音波診断において、このようなセンサを実用化するためには、記載例より高い周波数帯域の超音波に対する動作確認を行うと共に、必要であれば、そのような帯域において良好な感度を得るための条件を求めなくてはならない。
【０００８】
【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、光変換方式の超音波受信装置において、良好な感度を得るための条件を備えた超音波検出素子を有する超音波受信装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、ブロードバンド光源と、ブロードバンド光源から発生した光を狭帯域化する狭帯域化フィルタと、印加される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子であって、伝搬する超音波の波長の３／４以下の長さを有する超音波有感部を有する超音波検出素子と、超音波検出素子から出力される光を検出する光検出器とを具備し、超音波有感部が、ブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造を含み、狭帯域化フィルタが、超音波検出素子のブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造と同一の材料で構成されたブラッググレーティング構造又は多層膜構造を有し、狭帯域化フィルタのブラッググレーティング構造又は多層膜構造と超音波検出素子のブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造とが、熱的に結合している。
本発明によれば、伝搬する超音波の波長に基づいて超音波有感部の長さを限定するとともに狭帯域化フィルタと超音波検出素子が同一の材料で構成されたブラッググレーティング構造又は多層膜構造を有し、狭帯域化フィルタと超音波検出素子のブラッググレーティング構造又は多層膜センサ構造とが、熱的に結合しているので、検出対象である超音波に対して高い感度を有するとともに温度による感度の変化を低減できる超音波受信装置を実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。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を原理的に示す図である。この超音波受信装置は、望ましくは５００〜１６００ｎｍの単波長を有するシングルモードレーザ光を発生するための光源１１を有する。光源１１から発生した光は、ハーフミラー又は光サーキュレータ又は偏光ビームスプリッター等を用いて構成される分波器１２に入射する。分波器１２は、第１の方向から入射した入射光を第２の方向に通過させると共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。本実施形態においては、分波器１２としてハーフミラーを用いている。ハーフミラーは、入射光を透過して、入射方向と反対の方向から戻ってくる反射光を、入射方向とほぼ９０°の角度をなす方向に反射する。
【００１１】
光源１１を出て分波器１２を通過した光は、光ファイバ１３に入射する。この光ファイバは、シングルモードファイバであることが望ましい。
光ファイバ１３の先端には、超音波有感部として、ブラッググレーティング構造を有するブラッググレーティング部が形成されており、これにより、超音波検出素子１７が構成される。
【００１２】
図２は、図１に示す超音波検出素子を拡大した図である。ブラッググレーティング部は、屈折率の異なる２種類の材料層（光伝搬媒質）を、ブラッグの反射条件を満たすピッチで数千層交互に重ねたものである。図２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。これらの層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（１）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（２）式のようになる。
２ｄ＝ｍλ  ・・・（２）
ブラッググレーティング部は、ブラッグの反射条件を満たす特定の波長成分を選択的に反射し、その他の波長成分を透過させる。
【００１３】
ブラッググレーティング部に超音波を伝搬させると、ブラッググレーティング部が歪んで上記周期構造のピッチｄが変化するので、選択的に反射される波長成分λが変化する。ブラッググレーティング部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が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検出光をブラッググレーティング部に入射させながら超音波を加える。すると、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換算することにより超音波の強度を計測することができる。
【００１４】
再び図１を参照すると、光ファイバ１３に入射した光は、ブラッググレーティング部により変調されて反射される。この反射光は、再び分波器１２に入射して進路を変更され、ＣＣＤやＭＯＳ型センサやフォトダイオード（ＰＤ）等で構成される光検出器１６に入射する。ここで、反射光は、直接あるいは光ファイバー等を通して光検出器１６に入射するようにしても良いし、分波器１２の後段にレンズ等の結像系１５を設けて、これを介して光検出器１６に結像するようにしても良い。
【００１５】
ここで、ブラッググレーティング部は、一般的には、感度が高い上に作り易い。しかしながら、超音波診断におけるように高感度のセンサとしては、通常市場において使用されているブラッググレーティングをそのまま用いることはできない。ファイバブラッググレーティングを用いた超音波センサに関する記述としては、例えば、防衛大のＴＡＫＡＨＡＳＨＩらによる「Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ」（ＯＰＴＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．６（１９９７）ｐ．６９１−６９４参照）が挙げられる。この論文においては、２０ｋＨｚ程度の低い周波数帯域の超音波に対してはある感度が得られるとしているものの、通常の超音波診断において使用されるメガヘルツの周波数帯域の超音波に関する記述はない。
【００１６】
そこで、今回、通常市場において使用されているブラッググレーティングを図１に示す超音波受信装置に適用し、２０ｋＨｚよりも高い周波数帯域の超音波に対する動作確認を行った。その結果、軸方向から入射する超音波に対しては、十分な感度が得られないことが確認された。また、ブラッググレーティング部の長さを変えて動作確認を行ったところ、下記の（３）式で表されるブラッググレーティング部における超音波波長λSの概略３／４より大きい場合には、検出された波形が実際に受信した超音波の波形と比較して低周波側に歪むと共に、センサの感度が低くなることが確認された。
0003957276.tif 000002
【００１７】
以下、この動作確認について、具体的に説明する。
まず、ブラッググレーティング部の長さ（センサ長）を変化させて、ブラッググレーティングの動作を比較する実験を行った。この実験においては、ＰＺＴを用いて発生させた周波数帯域３．５ＭＨｚの超音波を、センサ長３／４λS及びセンサ長３／２λSを有する２種類のブラッググレーティングに印加した。この際に、上記２種類のセンサからそれぞれ出力された検出信号の波形を、図３の（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００１８】
図３の（ａ）に示すように、センサ長が３／４λSの場合には、印加される超音波に応じて検出信号の振幅が観測された。これに対して、図３の（ｂ）に示すように、センサ長が３／２λSの場合には、検出信号の振幅の変化はほとんど観測されなかった。これより、センサ長が長くなると、センサの感度が著しく悪化することがわかる。
【００１９】
次に、異なるセンサ長を有するブラッググレーティングに対して、超音波を印加することによって出力される検出信号の波形をシミュレーションにより求めた。このシミュレーションにおいては、センサ長１／２λS、３／４λS、λS、３／２λSを有する４種類のセンサに対して、サイン波の２波長に相当する２周期に渡って超音波を印加すると仮定した。また、超音波がセンサに入射した際には、波形強度に対応した応力分布がセンサ長方向に生じ、センサ内での平均応力に比例した信号強度が得られると仮定した。このシミュレーション結果を図４に示す。
【００２０】
図４において、センサ長が（１／∞）λS、即ち無限小であるときの波形は、印加される３．５ＭＨｚの超音波の２周期分の波形を示す理想的な波形である。これに対して、他のセンサ長を用いたときの波形は、センサ長が長くなるに従い、検出信号の振幅は小さくなり、検出信号の位相は遅れてくる。また、センサ長がλであるときには、１／２波長を検出した後に振幅が０になっている部分が続いている。これは、超音波がセンサ内を伝搬する途中に、センサ内に存在する振幅の平均値が０になる状態が続いているためと思われる。さらに、センサ長が３／２λSであるときには、振幅がより小さくなり、波形が超音波の受信波形の相似形にもなっていない。このように、センサ長が長くなると、センサの性能が悪くなる。このため、位相及び振幅を含む超音波の波形をセンサから出力される検出信号によって忠実に再現するためには、センサ長を無限に短くする必要がある。しかしながら、図４に示すように、センサ長が３／４λSであるときの波形程度の検出信号を得ることができれば、予め位相歪みを得て、この位相歪みを用いて超音波の受信波形を再現することは可能である。また、一般的な超音波受信装置において、検出信号は位相整合処理やローパスフィルタ処理等を経て画像化されるので、検出信号を画像化する際には、検出信号の波形としては必ずしも超音波の受信波形を忠実に再現する必要はない。例えば、図４に示すセンサ長が３／４λSであるときの波形程度の歪みであれば、超音波の受信波形を完全に再現しなくても実用上問題にはならない。従って、センサ長が３／４λS以下であれば、画像化するために必要な検出信号を得ることができると考えられる。
【００２１】
このように、実験やシミュレーションにおいて、センサ長が長い場合に、検出信号の波形歪みが観測されたが、この原因としては、次のようなことが考えられる。ここで、図５を参照すると、ブラッググレーティング部がブラッググレーティング部を伝搬する超音波波長以上の長さを有する場合に、超音波がブラッググレーティング部を伝搬する過程で、ブラッググレーティング部内に伸び縮みの位相が反転する部分が生じてしまう。このため、センサ部全体としてみた場合に、伸び縮みの位相が相殺されてしまうことが原因と考えられる。
【００２２】
このような現象を避けるためには、ブラッググレーティング部の長さをブラッググレーティング部における超音波波長よりも短くすることが必要であり、望ましくは超音波波長の概略３／４以下、さらに望ましくは半分程度とすれば良い。例えば、検出対象である超音波の周波数が３．５ＭＨｚ、ブラッググレーティング部の材質中の音速が５５００ｍ／ｓであるとき、ブラッググレーティング部を伝搬する超音波の波長λSは、次のように算出される。
0003957276.tif 000003
従って、ブラッググレーティング部の長さの上限は、次のように算出される。
１５７１×（３／４）＝１１７８．５（μｍ）
これより、ブラッググレーティング部の長さを１１７８．５μｍ以下（例えば、１ｍｍ程度）とすれば、ブラッググレーティング部内の伸び縮み位相の反転による影響を抑制することができる。従って、特に軸方向からの超音波に対して高い感度を得ることができる。
【００２３】
図６は、本実施形態に係る超音波受信装置の変形例である。この超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器１と光増幅器２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１は、光源１１と分波器１２との間に配置され、光源１１から入射した光を増幅して分波器１２に出射する。一方、光増幅器２は、分波器１２とレンズ等の結像系１５との間に配置され、分波器１２から入射した光を増幅して結像系１５に出射する。結像系１５を用いない場合には、光増幅器２は、分波器１２と光検出器１６との間に配置され、分波器１２から入射した光を増幅して光検出器１６に出射する。
【００２４】
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）を使用する。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。
【００２５】
このような光増幅器を光源１１と光ファイバ１３との間に配置した場合には、超音波検出素子１７に入射する入射光の強度が増幅される。また、光増幅器を光ファイバ１３と光検出器１６との間に配置した場合には、超音波検出素子１７に入射する入射光の強度は変化しないが、光検出器１６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。
【００２６】
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検出器１６に入射する反射光の光量が増加するので、光検出器１６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。
【００２７】
次に、本実施形態に係る超音波受信装置の別の変形例について、図７を参照しながら説明する。図７に示す超音波受信装置は、図１に示す超音波受信装置の光源を変更したものである。即ち、図７に示す例においては、ブロードバンド光源から発生する光を、狭帯域化フィルタにより狭帯域化して用いている。
【００２８】
ブロードバンド光源としては、例えば、増幅された自然放出光を放出するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源や、ブロードバンドファイバ光源を用いることができる。図７においては、ブロードバンド光源として、ＡＳＥ光源９を使用している。ＡＳＥ光源９は、広帯域光増幅器（Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の構造を、増幅された自然放出光を発生できるように変えたものである。広帯域光増幅器の詳細については、例えば、大越春喜氏による「広帯域光増幅器」（電子情報通信学会誌Ｖｏｌ．８２、Ｎｏ．７、ｐ．７１８〜７２４、１９９９年７月）を参照されたい。
【００２９】
図８に示すように、ＡＳＥ光源９は、光増幅用の光ファイバ９４を含んでいる。光ファイバ９４の一方の端部にはレンズ９１が取り付けられており、他方の端部には励起光反射用のブラッググレーティング部９２が形成されている。レンズ９１の図中左側には、レーザ発振器９３が励起光源として配置されている。レーザ発振器９３において発生した光は、レンズ９１を介して光ファイバ９４に入射して増幅され、増幅された光の一部は、自然放出光としてブラッググレーティング部９２を透過する。
【００３０】
再び図７を参照すると、ＡＳＥ光源９が発生した光は、分波器１０に入射する。分波器１０は、第１の方向から入射した光を第２の方向に通過させると共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。図７においては、分波器１０としてハーフミラーを用いているが、この他、光サーキュレータや偏光ビームスプリッタを用いても良い。
【００３１】
ＡＳＥ光源９を出て分波器１０を通過した光は、光ファイバ２０に入射する。光ファイバ２０の先端には、ブラッググレーティング部によって構成された狭帯域フィルタ１９が設けられている。光ファイバ２０に入射した光は、狭帯域フィルタ１９のブラッググレーティング部によって反射され、再び分波器１０に入射する。ＡＳＥ光源９から発生した自然放出光は、狭帯域フィルタ１９を通過することにより、狭帯域化される。
【００３２】
狭帯域フィルタ１９によって反射された光は、再び分波器１０に入射し、進路を変更されて分波器１２に入射する。分波器１２を通過した光は、光ファイバ１３に入射し、光ファイバ１３の先端に設けられた超音波検出素子１７によって変調される。
【００３３】
ここで、ブラッググレーティング部は、温度の変化によって反射光の中心波長が０．０１ｎｍ／℃の割合で変化する。そのため、単一波長のレーザ光を発生する光源を用いると、ブラッググレーティング部によって構成された超音波検出素子１７の感度が、温度の変化によって大きく変化してしまうという問題があった。
【００３４】
しかしながら、図７に示すように、ＡＳＥ光源９から発生した自然放出光を狭帯域フィルタ１９によって狭帯域化すると、単一波長のレーザ光に近い帯域を確保すると共に、温度の変化による超音波受信装置の感度の変化を低減することができる。
【００３５】
即ち、狭帯域フィルタ１９と超音波検出素子１７とを同一の材料で形成し、例えば、狭帯域フィルタ１９と超音波検出素子１７とを熱伝導率の高い材料で結合したり、狭帯域フィルタ１９と超音波検出素子１７とを物理的に近接させることにより、熱的結合を図っている。又は、狭帯域フィルタ１９と超音波検出素子１７との周りにヒートパイプを配置しても良い。
【００３６】
これにより、狭帯域フィルタ１９のブラッググレーティング部と超音波検出素子１７のブラッググレーティング部とがほぼ同一の温度となるので、温度によって超音波検出素子１７の反射特性がシフトしても、超音波検出素子１７に入射する光の波長も同様にシフトして、超音波受信装置の感度の変化を低減することができる。
【００３７】
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、図９及び図１０を参照しながら説明する。この超音波受信装置は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置における超音波検出素子１７を、超音波検出素子（多層膜センサ）３０に変更したものである。
【００３８】
図９は、本実施形態に係る超音波受信装置を原理的に示す図である。この超音波受信装置は、超音波有感部として、多層膜センサ構造を有する超音波検出素子３０を有している。超音波検出素子３０は、直径２ｃｍ程度の円か、それ以上の面積を有しており、超音波を印加されることにより歪みを生じる。
【００３９】
図１０は、図９に示す超音波検出素子３０の構造を拡大して示している。超音波検出素子３０は、基板３１と、基板３１上に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って形成された多層膜３２とを含んでいる。図１０には、屈折率ｎ3を有する材料層Ｃと、屈折率ｎ4を有する材料層Ｄとが示されている。基板３１としては、例えば、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。
【００４０】
材料層Ｃ及びＤ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。即ち、ｎ3＜ｎ4のとき、ｎ3×１．１≦ｎ4を満たす物質を選択する。これは、材料層Ｃと材料層Ｄとの境界面において、高い反射率を得るためである。また、材料層Ｃ及びＤは、伸縮しやすい物質であることが望ましい。これは、超音波が印加された際の歪み量を増大し、結果的にシステムの感度を高めるためである。このような条件を満たす物質の組み合わせとして、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。例えば、前者の場合に、１５２０ｎｍのレーザ光に対するＳｉＯ2の屈折率は約１．４５、Ｔｉ2Ｏ3の屈折率は約２．０であり、これは、屈折率が１０％以上異なるという上記の条件を十分に満たしている。
【００４１】
それぞれの材料層Ｃ、Ｄの層厚（膜厚）は、超音波検出素子３０に入射する光の波長λの概ね１／４程度であることが望ましい。ここで、膜厚とは、材料層の屈折率（ｎ）と材料層の厚さ（ｔ）との積で表される光学距離である。即ち、ｎｔ＝λ／４が条件となる。これにより、多層膜３２の周期構造のピッチが入射光の波長の概ね１／２程度となり、ブラッグの反射条件の式（２）を満たす波長成分を選択的に反射し、その他の波長成分を透過させるようになる。
或いは、層厚λ／４を有する材料層Ｃ及びＤを交互に積層し、所々に層厚λ／２を有する材料層Ｃ又はＤのいずれか一方を積層しても良い。
【００４２】
このような材料層Ｃ及びＤが、基板３１上に、真空蒸着やスパッタリング等の方法によって多層（例えば、各１００層）形成されている。
ここで、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、超音波有感部の長さ、即ち、多層膜３２の厚さは、伸び／縮みの位相がセンサ内で概ね一致するように、伝搬する超音波の波長の３／４以下の長さであることが望ましい。
【００４３】
このような超音波検出素子を、基板にＳｉＯ2、材料層にＳｉＯ2及びＴｉ2Ｏ3を用いて作製した。多層膜３２の層数は、各層１００層ずつ、計２００層とした。この超音波検出素子にレーザ光を入射するシミュレーションを行ったところ、次のような結果が得られた。即ち、入射光の波長の変化に対する反射率の傾斜は、反射率２５％において、２．８ｄＢ／０．０１ｎｍであった。
このように、多層膜３２の層数を増やすことにより、反射率が高くなると共に、波長の変化に対して反射率は急峻な変化を示すようになり、センサの感度を上げることができる。
【００４４】
再び図９を参照すると、光源１１から発生したレーザ光は、分波器１２を通過し、超音波検出素子３０の多層膜３２側に入射する。ここで、入射光が分波器１２を通過する前に、ビームエキスパンダー３３によって入射光を拡大しても良い。
一方、超音波検出素子３０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３０が歪み、多層膜３２の周期構造のピッチが変化する。これに伴って選択的に反射される光の波長成分も変化するので、超音波の強さに応じた反射光の強度変化を観測することができる。ここで、超音波検出素子３０は、超音波を面で受けるので、超音波の２次元強度分布情報を取得できる。
【００４５】
超音波検出素子３０から反射された光は、分波器１２によって反射され、光検出器３４に入射する。光検出器３４は、複数のＣＣＤやＰＤ等で構成される２次元アレイ検出器であり、反射光はここで画素分割されて検出される。このとき、反射光は、直接或いは光ファイバー等を通して光検出器３４に入射するようにしても良いし、分波器１２の後段にレンズ等の結像系１５を設けて、これを介して光検出器３４に結像するようにしても良い。
【００４６】
本実施形態に係る超音波受信装置においては、この他に、図６に示す変形例のように光増幅器１、２をさらに設けたり、図７に示す変形例のようにブロードバンド光源を狭帯域化して用いても良い。後者を用いる際には、狭帯域フィルタ１９のブラッググレーティング部の代わりに本実施形態における超音波検出素子を用い、超音波検出用の超音波検出素子と熱的結合を図ると良い。
【００４７】
本実施形態によれば、多層膜センサを用いることにより、超音波を２次元的に検出することができる。このような多層膜センサは、ファイバーブラッググレーティングをアレイ化するよりも安価に製作することができるので、２次元センサを製作する際のコストを下げることができる。また、多層膜は、蒸着やスパッタリング等で１層毎に製膜されるので、屈折率差の大きい部材を選択することができる。これにより、反射率の傾斜を上げることが可能となり、超音波受信装置の感度を向上させることができる。
【００４８】
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１１を参照しながら説明する。この超音波受信装置は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置における超音波検出素子１７を、超音波検出素子１８に変更したものである。
【００４９】
図１１に示すように、光ファイバ１３の先端には、超音波検出素子１８が設けられている。超音波検出素子１８は、ブラッググレーティング部１７と、ファブリーペロー共振器１４との両方を含んでいる。即ち、光ファイバ１３の先端にブラッググレーティング部１７を形成し、さらにその先にハーフミラー（図中右側）及び全反射ミラー（図中左側）を有するファブリーペロー共振器１４を形成している。本実施形態においても、ブラッググレーティング部１７とファブリーペロー共振器１４とを含む超音波有感部の長さは、位相の伸び縮みによる影響を抑制するために、伝搬する超音波の波長の３／４以下の長さ、望ましくは半分程度の長さを有するものとする。
【００５０】
ここで、ファブリーペロー共振器について説明する。ファブリーペロー共振器は、シングルモード光ファイバの先に金蒸着等によってハーフミラーを形成し、その先にポリエステル樹脂等によって形成されるキャビティを設け、さらにその先に金蒸着等によって全反射ミラーを形成したものである。キャビティを形成する部材は、超音波が印加されることにより幾何学的変位を受ける。
【００５１】
このファブリーペロー共振器に、ハーフミラー側から検出光を入射させ、全反射ミラー側から超音波を印加すると、超音波の音圧変化によりキャビティの光路長が変化するため、ファブリーペロー共振器から反射される光の強度が変化する。従って、この光の強度変化を換算することにより超音波の強度を計測することができる。このファブリーペロー共振器は、センサ長が短いため、センサの軸方向の分解能が高いという特徴を有している。
【００５２】
このようなファブリーペロー共振器をブラッググレーティング部と組み合わせて用いることにより、ブラッググレーティング部１７によって反射されなかった光を、ファブリーペロー共振器によって反射することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明によれば、伝搬する超音波の波長に基づいて超音波有感部の長さを限定するので、該超音波有感部における伸び縮み位相の反転による影響を抑制し、特に軸方向からの超音波に対して高い感度を有する超音波受信装置を実現することができる。従って、そのような超音波受信装置を用いた２次元センサや超音波診断装置等を実現できる可能性がある。
【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を原理的に示す図である。
【図２】図１の超音波検出素子を拡大して示す図である。
【図３】異なるセンサ長を有するセンサに超音波を印加し、センサから出力される検出信号を観測する実験結果を示す図である。
【図４】異なるセンサ長を有するセンサに超音波を印加し、センサから出力される検出信号を観測するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】ブラッググレーティングによって超音波を検出する原理を説明する図である。
【図６】図１の超音波受信装置の変形例を示す図である。
【図７】図１の超音波受信装置の別の変形例を示す図である。
【図８】図７に示すＡＳＥ光源を原理的に示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置を原理的に示す図である。
【図１０】図９の超音波検出素子を拡大して示す図である。
【図１１】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原理的に示す図である。
【符号の説明】
１、２  光増幅器
１６、３４  光検出器
９  ＡＳＥ光源
１０、１２  分波器
１１  光源
１３、２０  光ファイバ
１４、１７、１８、３０  超音波検出素子
１５  結像系
１９  狭帯域フィルタ
２５  樹脂
３１  基板
３２  多層膜
３３  ビームエキスパンダー
９１  レンズ
９２  ブラッググレーティング部
９３  レーザ発振器
９４  光ファイバ
【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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