CN103635784A - 光声振动计 - Google Patents

Abstract

本申请所公开的光声振动计，具备：声波源；声透镜系统，其将从声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过声透镜的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的平行的检测光束，该检测光束相对于声透镜系统的声轴以非垂直且非平行的角度入射光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在光声介质部发生的由检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使重叠有参照光束的衍射光会聚；图像接收部，其检测由成像透镜会聚的光，且输出电信号。

Description

光声振动计

技术领域

本申请涉及利用光和声波来计测对象物的运动的光声振动计。

背景技术

近年来，预测到心肌梗塞和脑梗塞等循环系统疾病的罹患人数的增加，对于诊断这些疾病的技术的要求特别高。

在诊断循环系统的疾病上，有用的信息之一，可列举通过脏器的高速的动态行为而观测到的组织和脏器的弹性特性。例如，在体内，通过调查比心率快的频域的心壁和动脉壁上的位移分布，从而调查病变部位的弹性特性，进行判断动脉硬化进展的程度和病变部位的大小的工作。由于检查方法很简单，能够以非侵入方式进行检查等，所以在该弹性特性的测定上，就超声波诊断装置的使用正在探讨研究。

现有的超声波诊断装置，是从体外向脏器等的体内组织照射超声波，检测由体内组织反射的超声波，取得体内的二维或三维图像。这种现有的超声波诊断装置，例如，在专利文献1被公开。现有的超声波诊断装置，为了进行超声波的发送接收而具备包含多个超声波振子的探头。例如，如图30所示，探头包含一维排列的振子T1～T15。

在超声波的接收时，振子T1～T15分别接收由体内反射的超声波、且输出电信号。各个接收信号，由信号处理电路(图30中未示出)延迟合成，而生成一个接收信号。从振子Ti(i＝1、…、15)输出的接收信号分别设为Si(t)(i＝1、…、15)时，所谓延迟合成，就是进行A1×S1(t+t1)+A2×S2(t+t2)+…+A15×S15(t+t15)的运算。在此，t表示时间，ti(i＝1、…、15)表示时滞、即延迟时间，另外，Ai(i＝1、…、15)表示加权(实数)。如此，所谓延迟合成，就是指对于从各振子输出的电信号、在一边使时间错开一边加权下进行加法运算处理的信号合成法。

如图30所示，认为例如，从探头发送的超声波在点a₂反射，脉冲状的球面波发生，朝向振子T₁～T₁₅传播。以球面波到达振子T₅(最靠近点a₂的振子)的时刻为基准，其他的振子T_i在按时间τi(τi＞0)滞后下输出电信号。使上述的延迟合成作为ti=τi(i=1、…、15)而进行延迟合成时，各振子的基于电信号所形成的延迟信号Si(t+ti)全部成为在同时刻脉冲状的波形出现的时间信号。其结果是，延迟合成后的信号成为拥有大的脉冲状的波形的接收信号(时间信号)。

作为假定，在该延迟合成时，在a₂以外的点，例如在a₁有脉冲状的球面波发生。在从各振子输出的接收信号的延迟信号Si(t+ti)中，该球面波所对应的脉冲状的波形没有同时刻出现。这是由于从a₂到各振子的距离与从a₁到各振子的距离不同，球面波到达各振子的时刻不同。因此，在延迟合成的接收信号中，在从点a2到达的球面波所相当的波形上，几乎未重叠有从点a₁到来的球面波所相当的波形。

如此，通过生成接收信号，仅对于来自图30所示的纸面内的希望的点的球面波拥有灵敏度而设定延迟时间ti(i=1、…、15)，按延迟时间设定从振子T₁～T₁₅进行脉冲信号的发送接收，对于接收信号以设定的延迟时间进行延迟合成。由此，能够检测来自体内的组织的各点的球面波。

由各点反射的球面波具有与反射的强度相应的振幅，反射强度依存于各点的组织的弹性特性和组织间的声阻抗的差等。因此，通过分析接收信号中的球面波的强度分布，能够取得体内组织的断层图像。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：专利昭58-34580号公报

专利文献2：特开2000-229078号公报

根据现有的超声波诊断装置，可以进行体表面至体内的组织和脏器的断层摄影。但是，为了一张超声波图像的摄像，需要大致等于摄像区域中的像素总数的次数的延迟合成信号处理。因此，为了高速拍摄断层图像，就需要拥有大规模的模拟/数字转换器阵列和运算电路的信号处理电路。根据市场销售的高性能的超声波诊断装置，因为具备高速且大规模的信号处理电路，所以能够以数十帧/秒来得到断层图像。但是，例如，在心脏的功能诊断中所需要的数10Hz至100Hz左右的高速振动状态的观测、和捕捉搏动引起的数10μm微小的血管变形中要实现充分的分辨率极其困难。

另外，通过应用在专利文献2中公开检测接收信号的零交叉点的信号处理方法、和脉冲多普勒法等的雷达所适用的相位检测手法、或对于检查对象组织特殊化的各种测定方法，即使使用专利文献1所公开的探头时，也可以在数100Hz下观察脉搏波程度的血管的振动状态。然而，构建按检查对象的组织所最佳化的检查环境的必要性存在等，要求可适应实际的临床现场的通用性的实现。

发明内容

本申请的非限定性的例示的实施方式，提供一种可以高速拍摄对象物的光声振动计。

为了解决上述课题，本发明的一个方式的光声振动计，具备：声波源；声透镜系统，其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴，以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚；图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。

根据本申请公开的光声振动计，能够高速摄影对象物的高精细的图像。另外，能够计测对象物的位移速度分布。

附图说明

图1是表示本发明的光声摄像装置的第一实施方式的概略的结构图。

图2是表示第一实施方式的声透镜系统6的功能的光线追跡图。

图3是表示第一实施方式的检测光源19的构成的图。

图4(a)是表示第一实施方式中的、均匀照明光学系统31的构成和光线的图，(b)是表示其他构成和光线的图。

图5是表示第一实施方式的均匀照明面43的设定位置的图。

图6是表示第一实施方式的参照光源23的构成和光线的图。

图7是表示第一实施方式的光声调制器214构成例的图。

图8(a)是表示在第一实施方式的光声振动计中，检测光束14由平面声波9进行衍射的情况的图，(b)是用于说明一维衍射光栅的Bragg衍射条件的图，(c)是用于说明通过Bragg衍射使平面声波上的声压分布被转印成衍射光的光束波阵面上的光振幅分布的图。

图9(a)是表示在第一实施方式的光声振动计中，衍射光201在y方向上发生畸变的图，(b)是用于说明第一实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15所使用的变形棱镜的构造的图。

图10是用于说明构成变形棱镜的楔形棱镜的功能的图。

图11是表示在第一实施方式的光声振动计中，需要使彼此入射角度不同的多条平面光束重叠而成的光束的图。

图12(a)是用于说明光学领域中的双衍射光学系统的运转的图，(b)是表示第一实施方式的光声振动计的光声系统的图。

图13是表示经由在时间上发生位移的对象物4而发生的多普勒频移233的图。

图14是表示对象物4上的位移速度矢量分布被反映成由声透镜系统6所生成的各超声波平面波的频率调制的图。

图15是表示由平面声波生成的+1级Bragg衍射光按平面声波的频率进行频率增加的图。

图16是表示对象物4上的位移速度矢量分布被反映为实像18上的光点的频率调制的图。

图17是表示由于参照光束24的重叠而使实像18上的光点成为跳动光的图。

图18是表示第一实施方式的对象物4上的位移速度矢量分布的计测方法的图。

图19是表示以对象物4上的位移速度矢量分布作为矢量而进行计测的方法的图。

图20(a)是表示第一实施方式中的由声波所进行的图像的拍摄和位移速度矢量分布计测的步骤的一例的图，(b)是表示另一例的图。

图21是表示第一实施方式的光声振动计的具体的构成例的图。

图22是表示将第一实施方式的光声振动计作为超声波诊断装置而构成时的示例的图。

图23(a)是表示第一实施方式的光声振动计的检测光束14的入射方向的图，(b)是表示检测光束14的另一入射方向的图。

图24是表示柱面透镜的构成和光线的图。

图25是表示在第一实施方式的光声振动计中，由柱面透镜构成、且兼备图像畸变校正部15和成像透镜系统16的作用的光学系统的构成的图。

图26是表示第二实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15的构成的图。

图27是表示第三实施方式的光声振动计的图像畸变校正部15的构成的图。

图28是表示第四实施方式的光声振动计的构成的图。

图29是表示第五实施方式的光声振动计的构成的图。

图30是表示利用现有的超声波诊断装置所使用的探头来检测超声波的方法的图。

具体实施方式

本发明的一个方式的概要如下。

作为本发明的一个方式的光声振动计，具备：

声波源；声透镜系统，其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置；检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴，以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部；参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠；成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚；图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。

所述检测光束和所述参照光束的振动数互不相同也可。

所述参照光源含有至少一个光声调制器也可。

所述参照光源含有散光板也可。

所述参照光源含有复眼透镜也可。

也可以具备含有所述成像透镜和所述图像接收部的光学系统两组。

所述参照光源含有偏光板也可。

所述图像接收部是具有二维配置的多个像素的二维图像传感器也可。

所述光声振动计还具备图像处理部，其基于所述电信号来检测由所述图像接收部的所述各像素检测到的光的量的时间变化也可。

所述参照光源含有控制所述参照光束的出射时刻的快门也可。

所述光声振动计具备至少3个所述声波源也可。

所述光声振动计还具备图像畸变校正部，其校正由所述衍射光和所述电信号表示的所述对象物的像的至少一方的畸变也可。

所述图像畸变校正部含有使所述衍射光的截面放大的光学构件也可。

所述图像畸变校正部含有使所述衍射光的截面缩小的光学构件也可。

所述光学构件含有变形棱镜也可。

所述成像透镜和所述光学构件的至少一方含有至少一个柱面透镜也可。

所述图像畸变校正部基于所述电信号来校正由所述电信号表示的所述对象物的图像的畸变也可。

各单色光的光谱宽度低于10nm，所述单色光是拥有在所述单色光的中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波也可。

所述检测光源含有至少一个复眼透镜也可。

所述声透镜系统含有折射型声透镜和反射型声透镜的至少一方也可。

所述声透镜系统含有从二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和聚苯乙烯中所选择的声元件至少一个也可。

所述声透镜系统含有焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方也可。

所述成像透镜系统含有焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方也可。

所述光声介质部含有二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和水的至少一个也可。

从所述检测光源出射的检测光束的光轴，相对于所述声透镜的声轴能够调整也可。

以下，一边参照附图，一边对于本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1中模式化地示出第一实施方式的光声振动计100的构成。光声振动计100，具备如下：声波源1、光声介质部8、声透镜系统6、检测光源19、参照光源23、成像透镜系统16、图像接收部17(图像形成部)。此外，也可以还具备声波吸收端10、图像畸变校正部15和分束器22。

对象物4被配置在声波能够传播的介质3中。所谓“声波可以传播的介质3”，例如有空气、水等。体组织也是“声波可以传播的介质3”的合适的例子。另外，因为金属和混凝土等的弹性体也传播声波，所以也能够作为介质3使用。对象物4是拥有与介质3不同的弹性模量的检测对象物。具体来说，例如，为了观察受检体的体内组织而使用光声振动计100时，介质3是体组织，对象物4是作为观察对象的脏器和组织。另外，在结构物的非破坏检查中使用光声振动计100时，介质3是金属和混凝土，对象物4是开裂和坑洞等的构造上的缺陷。

声波源1和声透镜系统6与介质3直接接触配置、或经由中间层而间接接触配置。例如，在观察受检体的体内组织时，由于介质3的表面形状，声波源1和声透镜系统6与介质3难以形成良好的接触状态时，经由拥有接近介质3的声特性的凝胶状材料，使声波源1和声透镜系统6与介质3接触也可。

光声振动计100，将声波源1出射的声波照射到对象物4上，将对象物4作为光学像、即实像18取得。实像18是来自对象物4的声波的散射波5所形成的像。即，实像18等于从声轴7的方向观察对象物4的表面和内部的弹性模量的三维分布之像。更具体地说，就实像18而言，在处于与声轴7垂直且以声透镜系统6的焦距f从声透镜系统6离开后的平面上的对象物4的弹性系数的二维分布中最对焦，成为随着从所述平面远离而不清楚(即，散焦)的图像。

这一点与显微镜的图像类似。可取得最详细的图像的、在与声轴7垂直且以声透镜系统6的焦距f从声透镜系统6离开后的平面上的对象物4的弹性系数的二维分布与实像18相似。

实像18是在对象物4上的位移速度分布所对应的频率下光的强度发生变化的图像。光声振动计100中，由图像接收部17测量实像18的光强度的闪烁周期的分布状况，取得对象物4的声波形成的图像，另外，能够计测位移速度分布。

1.光声振动计100的构成

(1)声波源1

声波源1向对象物4辐射声波2。根据对象物4的弹性特性和对象物4的周围的介质3等的环境，选择适于观测对象物4的声波2的频率。对象物4为受检者的脏器时，声波2可以是用于公知的超声波诊断装置的超声波，例如，可以是从数MHz到10MHz的频率的超声波。

进行一次摄像时，对于对象物4，至少照射一次作为猝发波的声波2。猝发波例如具有将多波的同一正弦波形等、振幅与频率一定的正弦波形或矩形波形得以一定时间持续的时间波形。还有，通过图1中未示出的触发电路，准确地控制声波源1发生声波2的时刻。具体来说，声波2的发射与图像接收部17摄像的时机，以数ns(1ns=10^-9秒)左右的精度进行控制。例如，声波2形成的散射波5在光声介质部8中作为平面声波9传播，平面声波9到达包含声轴7与光轴13的交点的平面时，使图像接收部17进行摄像，以此方式控制声波源1的发送时刻，控制图像接收部17的摄影时刻，或一起控制两个时刻。

声波2大致是平面波。另外，声波2以大致均匀的强度照射对象物4想要拍摄的区域。为了以大致均匀的强度照射对象物4，声波2具有比光声振动计100的可摄像区域大的射束截面也可。

若声波2照射到对象物4，则由于在对象物4的内部和表面的反射和衍射，生成与声波2拥有同一频率的散射波5。散射波5也是猝发波。散射波5具有与在对象物4的各部生成的猝发波重合的时间波形。因此，若在介质3中的一点测量声压，则声压作为振幅和定时不同的许多猝发波形重叠的时间波形被观测到。

(2)声透镜系统6

声透镜系统6将散射波5转换成在光声介质部8中传播的平面声波9。声透镜系统6进行的散射波5的会聚，与光学领域中的光学元件进行的光的会聚同样，通过声波在介质中传播时产生的纵波(疏密波)，在声速不同的介质间的界面进行反射和折射来实现。以下，有使用光学领域的用语进行声透镜系统6的说明的情况。

在光声振动计100中，声透镜系统6作为：使在焦平面21上的各点生成的散射波5会聚为规定的状态、且转换成拥有互不相同的传播方向的平面声波的重叠波的元件，而发挥功能。以下，说明声透镜系统6的详细的构成。

声透镜系统6在介质3中具有焦距f。作为声透镜系统6，可以是折射型声音系统，也可以是反射型声音系统。声透镜系统6是折射型声音系统时，声透镜系统6包含至少具有一个折射面、且散射波5透过内部的声透镜。声透镜优选由二氧化硅纳米多孔体、水、Fluorinert等的氟系惰性液体、聚苯乙烯等声波的传播损失少的弹性体构成。折射面的声波的折射遵循斯奈尔定律，散射波5以介质3和构成声透镜的材料的散射波5的声速比所确定的角度进行折射。声透镜系统6是反射型声音系统时，声透镜系统6具有由金属和玻璃等声阻抗与介质3大不相同的材料构成的至少一个反射面。这些折射面和反射面均具有与光学透镜同样的形状，由此能够使散射波5会聚。

另外，也可以将与光学领域中为了减少在透镜折射面产生的反射衰减和杂散光而形成的防反射膜具有同样的功能的防反射膜，设于声透镜系统6的折射面。例如，可以将具有与介质3和声透镜的声阻抗的几何平均值相等的声阻抗的弹性体所构成、厚1/4波长(这里的波长是构成声波2的正弦波的频率下的波长)的薄膜作为防反射膜，设于声透镜的与介质3接触的折射面。

对象物4优选位于声透镜系统6的焦平面21邻域。如上述，与光学照相机等的光学摄像装置同样，随着从声透镜系统6的焦平面21偏离，对象物4的实像18变得不清楚。在此，所谓焦平面21，是指与声轴7垂直且从声透镜系统6朝向对象物4的方向离开了声透镜系统6的焦距f的平面。

得到处于焦平面21的面外的对象物4的鲜明的实像18时，优选使对象物4位于声透镜系统6的焦平面21的邻域，如此使光声振动计100整体移动。如超声波诊断装置这样沿声透镜系统6的声轴7方向使光声振动计100移动有困难时，与光学式照相机的摄像透镜一样，声透镜系统6也可以还具备焦点调整机构。另外，使对象物4所对应的实像18的大小可变时，也可以在声透镜系统6或成像透镜系统16的任意一方或其两方设置焦距调整功能(即，变焦功能)。

为了使以下的论述简单，说明对象物4位于焦平面21邻域的情况下的声透镜系统6的功能。由于散射波5是以焦平面21上的任意一点为中心的球面波，所以经由声透镜系统6，该球面波被转换成在光声介质部8中传播的拥有平面状的波阵面的声波。

来自焦平面21上的各点的球面波被声透镜系统6转换成平面声波。因此，光声介质部8中的平面声波9，成为拥有各种行进方向的平面声波被重叠的声波。例如，如图2所示，考虑为如下情况：在焦平面21上，球面波从是声透镜系统6的声轴7上的点A和距声轴7为距离h的点B发生。经由声透镜系统6，在点A发生的球面波被转换成具有平面状的波阵面A的平面波。因为点A处于声轴7上，所以波阵面A的法线与声轴7平行。在点B发生的球面波也被转换成拥有平面状的波阵面B的平面波。但是，波阵面B的法线与声轴7构成角度ψ。如图2所示，角度ψ等于Arctan(h/f)。在此，Arctan表示反正切函数。实际上因为从处于点A和点B之间的全部的点都有球面波发生，所以图1所示的平面声波9，成为波阵面的法线相对于声轴7拥有种种角度ψ的非常多的平面波加以重叠的声波。

平面声波9具有与声波2相同的频率。另外，如以下详细说明的，对象物4朝向与声轴7平行的方向运动时，运动造成的多普勒频移在平面声波9的频率产生。

(3)光声介质部8

光声介质部8，由平面声波9的传播衰减少、且对于后述的检测光束14具有透光性的各向同性的弹性体构成。为了提高实像18的画质(特别是分辨率)，优选构成光声介质部8的各向同性的弹性体的声速小的方法。作为拥有这种特征的物质，适合的有例如二氧化硅纳米多孔体、Fluorinert等的氟系溶剂、水等。

光声介质部8优选按照使声透镜系统6所转换的平面声波9低损失地入射光声介质部8的方式相对于声透镜系统6配置，声透镜系统6也可以与光声介质部8接合。另外，为了压抑接合面的反射所引起的衰减，也可以在接合面还设置防反射膜。还有，由相同的材料构成声透镜系统6和光声介质部8时，也可以在光声介质部8的一部分(优选为与介质3的边界面)设置声透镜系统6。这种情况下，声透镜系统6由一个折射面构成。

(4)声波吸收端10

光声振动计100也可以具备声波吸收端10。声波吸收端10被设置在光声介质部8的与设有声透镜系统6的一面相反侧的面、且将传播的平面声波9在没有反射和散射下吸收。通过声波吸收端10，到达声波吸收端10的声波完全被吸音，因此光声介质部8中存在的声波只有平面声波9。平面声波9以外的声波，作为与对象物4的弹性系数的空间分布无关的像，即，作为噪音而与实像18重叠。因此，声波吸收端10作为减少这样的噪音的元件发挥功能。作为构成声波吸收端10的材料，为了压抑与光声介质部8的界面的反射波生成，优选是具有与光声介质部8大致相等的声阻抗、且平面声波9的传播衰减大的材料。作为这样的材料，有橡胶和氨基甲酸乙酯等。

不使用声波吸收端10时，例如，也可以使用沿声轴7方向十分长的光声介质部8。这种情况下，平面声波9随着在光声介质部8传播而衰减，能够减小在端部生成的反射波。

(5)检测光源19

检测光源19生成：行进方向互不相同的平面波光束多条重叠的检测光束14。检测光束14以相对于声透镜系统6的声轴7非垂直且非平行的角度入射光声介质部8。重叠之前的各平面波光束是平面波，具有高相干性。所谓“高相干性”，是指波长、行进方向和相位统一。

一边参照图3，一边说明检测光源19的具体的构成。检测光源19，例如，主要包含单色光源11、光束扩展器12和均匀照明光学系统31。

单色光源11生成具有高相干性的光束。在光束内光的波长和相位统一。具体来说，优选单色光源11出射的光束的光谱宽度(半值宽度)低于10nm。另外，从单色光源11出射的光束，是拥有中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波。

作为单色光源11，能够使用例如He-Ne激光器所代表的气体激光器和固体激光器、由外部共振器窄带化的半导体激光器等。单色光源11出射的光束可以是连续的，也可以是出射时刻可控的脉冲光束。通过将生成的光束的波长设定成在光声介质部8中的传播损失少的波长范围，能够得到高亮度的实像18。例如，作为光声介质部8使用二氧化硅纳米多孔体时，如果使用波长600nm以上的激光器，则可以得到高亮度的实像18。

在本实施方式中，由单色光源11出射的光束，经由分束器33而分割成两条光束。然后，将其中一条光束与单模光纤34耦合并引导至参照光源23。光束向单模光纤34的耦合，能够通过聚光透镜等的聚焦光学系统将光束会聚到单模光纤34的芯中心来进行。还有，在图3所示的构成中，由分束器33反射的光束与单模光纤34耦合，但也可以将透过的光束引导至参照光源23。另外，也可以通过单模光纤34以外的光学系统、例如多个平面反射镜，将分割的一方的光束引导向参照光源23。

光束扩展器12，作为分束器33的次要的光学元件被配置在光轴13上。光束扩展器12将从单色光源11出射的光束的口径放大而使口径放大的平面波光束32出射。通过光束扩展器12，虽然口径拡大，但光束的波阵面状态得到维持。因此，透过光束扩展器12的光束也是平面波。

接着，参照图4(a)(b)，说明均匀照明光学系统31的具体的构成例。如图4(a)所示，均匀照明光学系统31，含有复眼透镜41和聚光透镜42。复眼透镜41由二维状排列的n个小透镜构成。各个小透镜具有与光轴13平行的光轴。另外，各个小透镜的焦点，全部位于与光轴13垂直的平面、即焦平面46上。各个小透镜也可以拥有互不相同的开口形状、口径直径、焦距。聚光透镜42的焦距是fc。聚光透镜42的光轴与光轴13一致。聚光透镜42被配置在从焦平面46离开了距离fc的地方。

若平面波光束32入射复眼透镜41，则各小透镜的光点形成于焦平面46上。光点的总数为n个。在光点所聚焦的光束，成为以光点为中心的球面波光束而朝向聚光透镜42。因为焦平面46也是聚光透镜42的焦平面，所以通过聚光透镜42，各球面波光束被转换成平面波光束。但是，因为各球面波光束的光轴从光轴13平行地偏移，所以各平面波光束朝向从聚光透镜42离开了焦距fc的光轴上的点、即朝向聚光透镜42的焦点行进。因此，在聚光透镜42的焦点，与小透镜的个数相同的n条平面波光束以各种各样的入射角度聚焦。包含该焦点的且与光轴13垂直的面，以下称为均匀照明面43。所谓多条平面波以不同的角度照明均匀照明面43，意思是在均匀照明面43上的任意的一点，有角度不同的多条光线入射。这一点在光声振动计100形成高画质且高亮度的实像18上非常重要。关于其理由，在Bragg衍射的说明之中详述。

在均匀照明面43中，需要具有更大的入射角度(这里的入射角度说的是光轴13与光束的行进方向的夹角)的平面波光束的重叠时，使用更小的F数(F数=焦距/透镜口径)的聚光透镜42。在将对象物4以更大范围进行摄像时，如图2所示，相对于声轴7更倾斜的平面声波生成，而为了生成这样的平面声波形成的Bragg衍射光，需要入射角度更大的平面波光束。因此，通过使用F数小的聚光透镜42，可以在大范围进行对象物4的摄像。

另外，在均匀照明面43上，需要更多的入射角度不同的平面波重叠时，如图4(b)所示，也可以使复眼透镜多级化。在图4(b)所示的构成例中，均匀照明光学系统31含有：设于聚光透镜42与光束扩展器12之间的复眼透镜44、45。从构成复眼透镜44的1个小透镜的光束，经由复眼透镜45而又得到3条光束。因此，在均匀照明面43中，有构成复眼透镜45的小透镜的个数的3倍的平面波光束以互不相同的角度入射。

均匀照明光学系统31，除了生成入射角度不同的光束群的作用以外，还作为生成拥有均匀的照度分布的光束的光学系统发挥作用。从光束扩展器12出射的平面波光束32的光束在与光轴13垂直的面中，具有大致以光轴13为中心而拥有旋转对称性的高斯分布状的强度。

相对于此，在均匀照明面43上，入射构成复眼透镜41的各小透镜的光束被放大而投射。将拥有十分小的口径的小透镜用于复眼透镜时，即使平面波光束32有光强度分布，因为各小透镜的口径小，入射各小透镜的光束仍具有大体均匀的光强度分布。在均匀照明面43中，这样的微小光束被放大而大量重叠。因此，从一个照明光学系统31出射的检测光束14，在均匀照明面43上具有大致均匀的光强度分布。

还有，越是相对于平面波光束32的光束直径而缩小各小透镜的口径，另外越是使复眼透镜多级化，则在均匀照明面43上照度分布越平坦。还有，照度分布的平坦化，在消除照度不均的实像18的形成中极适合发挥作用。

如图5所示，在光声振动计100中，按照使均匀照明面43位于声轴7与光轴13的交点的方式配置各构成要素。由此，因为在对象物4上的全部摄像区域生成高亮度、高画质的实像18，所以能够使平面声波9全体以拥有各种入射角度的平面波光束进行照明。如上述，均匀照明面43由拥有各种入射角度的平面波光束照明。因为由全部平面波光束所照明的面积最大的是均匀照明面43，所以通过在声轴7与光轴13的交点配置均匀照明面43，能够以光束直径更小的检测光束14照明平面声波9全体。因此，为了小型地构成使检测光源19，也优选均匀照明面43包含声轴7与光轴13的交点。

如以下详细说明的，若平面声波9在光声介质部8传播，则在光声介质部8中产生由检测光束14形成的光声介质部8的疏密。由于该疏密，生成由检测光束14的Bragg衍射形成的衍射光201。

(6)图像畸变校正部15

生成的衍射光201，具有反映了平面声波9的强度分布、即焦平面21中的对象物4的弹性特性的二维分布的强度分布。但是，因为衍射光201相对于平面声波9的行进方向、即声轴7倾斜出射，所以强度分布发生畸变。图像畸变校正部15校正衍射光201的畸变。衍射光201的畸变也可以由图像处理部20进行处理。

(7)参照光源23

参照光源23出射参照光束24，其与在光声介质部8发生的检测光束14所形成的衍射光302(或衍射光201)重叠。参照光源23，如图6所示，含有快门215、光声调制器214、光束扩展器213、散光板212和聚光透镜211。在衍射光302(或衍射光201)与参照光束24的重叠中，例如使用分束器22。

在本实施方式中，平行光束216，是通过将从检测光源19的单色光源11出射的光束分割、且由单模光纤34引导而取得的。通过在单模光纤34的芯端面具有焦点的聚光透镜(未图示)，将所引导的单色光转换成平面波光束。因此，平行光束216是拥有与从单色光源11出射的单色光相同频率的相干性高的平面波光束。

平行光束216在通过进行光束切换的快门215后入射到光声调制器214。光声调制器214是改变平行光束216中的单色光的频率的(即进行频率调制)光学元件。更具体地说，若将入射到光声调制器214之前的平行光束216的频率设为v，输入到光声调制器214的正弦波信号的频率设为f’则由光声调制器214输出的光束拥有v+f’的频率。作为光声调制器214，能够使用例如由于声波在声传播介质中传播而产生的声传播介质的疏密而光束进行Bragg衍射的光学元件。还有，作为声传播介质，例如使用二氧化碲。

从光声调制器214出射的经频率调制的平行光束216的光强度，一般很大程度依存于输入到光声调制器214的正弦波信号的频率f’。为了由任意的频率的正弦波信号，生成进行了高强度的频率调制的平行光束216，例如，如图7所示，参照光源23也可以含有多个光声调制器。具体来说，参照光源23含有第一光声调制器221和第二光声调制器222。第一光声调制器221和第二光声调制器222，在输入的正弦波信号的频率为f₀时，得到最大衍射效率(衍射效率最大时，频率调制的光束的光强度也最大)。向第一光声调制器221和第二光声调制器222分别输入频率f₀+f’/2、f₀-f’/2的信号，并使第一光声调制器221的+1级衍射光入射第二光声调制器222，如此配置第一光声调制器221和第二光声调制器222。例如，以频率f为3MHz至10MHz左右的声波2观察心壁的运动时，f’与f为同程度；将二氧化碲用于第一光声调制器221和第二光声调制器222的声传播介质时，f₀为50MHz至150MHz左右。还有，为了高精度地观察更低速的运动，以使|f’-f|为1kHz左右的方式选择f’。

这种情况下，从第二光声调制器222出射的-1级衍射光成为以频率v+f’进行了频率调制的光束。如此，能够得到具有频率v+f’、且高强度的进行了频率调制的平行光束216。还有，即使是颠倒了第一光声调制器221与第二光声调制器222的顺序的构成，也能够得到同样的频率调制的平行光束216。另外，使面向第一光声调制器221和第二光声调制器222的输入信号的频率分别为f₀+Δ₁f、f₀-Δ₂f(其中，Δ₁f＞0，Δ₂f＞0，Δ₁f+Δ₂f＝f’)，也可以生成拥有频率v+f’的高强度的平行光束216。

如图6所示，通过光束扩展器213，将调制成频率v+f’的平行光束216转换成光束截面直径大的光束，照射到散光板212上。截面直径大的光束不需要是平面波，例如，也可以使用一片凸透镜或一片凹透镜来代替光束扩展器213。但是，放大后的光束，优选在光束截面中具有大致均匀的照度分布。

散光板212能够使用磨砂玻璃等。这种情况下，磨砂玻璃的表面粗糙度优选尽可能小的一方。其理由有以下两点。首先，为了使在散光板212发生的散射光，在与光轴217平行的方向上拥有强的光强度。由此，即使以更低强度的平行光束216也能够生成良好的参照光束24。另外，与透过散光板212的参照光束24的光轴217垂直的截面中的光的强度分布被反映为图像接收部17所检测到的对象物4的实像，实像中包含斑纹图样。所谓斑纹图样就是光点与暗点无序分布的二维状的光学像，从散光板212的表面的微小的凹凸的各点生成的散射光重合，发生干涉，从而生成散斑。也可以使用图4(a)等所示的复眼透镜构成的均匀照明光学系统来代替散光板212。使用复眼透镜构成的均匀照明光学系统时，能够防止散斑的发生。

与单色光源11的出射光束的波长相比，磨砂玻璃的表面粗糙度大时，光点与暗点的大小，主要由聚光透镜211和成像透镜系统16的合成焦距和聚光透镜211的口径直径决定。使合成焦距除以聚光透镜211的口径直径的值越小，光点与暗点的大小越小。在光声振动计100中，为了提高对象物4上的位移速度分布的计测分辨率，至少，图像接收部17的光接收面上的斑纹图样的光点和暗点的大小，优选比图像接收部17的光接收面上的声波形成的图像的分辨率小。因此，优选减小图像接收部17的光接收面上的光点与暗点的大小，优选使用口径直径更大、焦距f_c2更短的聚光透镜211。若将合成焦距设为1，口径直径设为d，单色光源11的出射光波长设为λ，则图像接收部17的光接收面上的光点和暗点的大小Δ为1.22×λ1/d。因此，以使Δ为计测分辨率以下的方式，决定聚光透镜211的口径直径d和焦距f_c2。

从以调制成频率v+f’的平行光束216照明的散光板212上的各点，生成具有频率v+f’的散射光。在图6所示的参照光源23中，通过使具有焦距f_c2的聚光透镜211从散光板212离开距离f_c2而配置，使来自散光板212的散射光转换成平面波光束。因为散射光从散光板212上的各点生成，所以从聚光透镜211出射的平面波光束的行进方向与聚光透镜211的光轴217不平行，其角度依据于散射光在散光板212上的生成位置。因此，来自聚光透镜211的出射光束，大量重叠了具有频率v+f’的行进方向不同的单色光的平面波光束。行进方向不同的单色光的平面波光束大量重叠，从参照光源23出射的参照光束24与从检测光源19生成的检测光束14类似。

还有，图6所示的参照光源23为了使参照光束24通过/切断而具备快门215，也可以使向光声调制器214输入的正弦波信号通过/切断来替代快门215。这种情况下，正弦波信号被输入到光声调制器214期间，参照光源23出射具有频率v+f’的参照光束24；正弦波信号停止期间，参照光源23出射频率v的光束。

(8)成像透镜系统16和图像接收部17

成像透镜系统16将参照光束24重叠的衍射光302会聚到图像接收部17的光接收面。图像接收部17含有二维排列的多个像素(光电转换元件)，二维地检测所会聚的衍射光302并输出电信号。生成的电信号表示对象物4的焦平面21上的弹性特性的二维分布和位移速度分布。通过分析所得到的电信号，能够取得对象物的弹性特性和位移速度的二维分布图像。

2.光声振动计100的运转

接下来说明光声振动计100的运转。本实施方式的光声振动计100取得：对象物4的声波形成的图像、即反映弹性特性分布的图像；和用于计测对象物4的各部的位移速度分布的图像。以下，说明这两个图像的取得。

(1)声波图像取得时的运转

首先，说明光声振动计100取得声波图像的运转。还有，如上述，检测光束14由行进方向互不相同的多条平面波光束构成，平面声波9也由行进方向互不相同的多条平面声波构成，但为了使说明简便，在以下的说明中，假定检测光束14只由拥有与光轴13垂直的波阵面的平面波光束构成、另外平面声波9只由与声轴7垂直的平面声波构成。

如图1所示，检测光束14以相对于声透镜系统6的声轴7而为非垂直且非平行的方式倾斜入射光声介质部8。声轴7与检测光束14的光轴13交叉的角度为90°-θ。即，θ表示检测光束14向平面声波9的波阵面的入射角度。如上述，θ能够取非垂直且非平行，具体来说，就是取除了0°、90°、180°、和、270°以外的任意的角度。只有在此角度范围的θ下，检测光束14才发生Bragg衍射，生成衍射光201。关于用于产生衍射光201的θ的具体的设定方法后述。

如上述，在光声振动计100中，声波2的发射时刻被准确地控制，在图像接收部17的摄影时刻，平面声波9准确地到达均匀照明面43。具体来说，例如，以1ns的时间精度控制声波2的发射间隔时，声速50m/s的光声介质部8中的平面声波9的位置误差为50nm。该位置误差，在例如作为单色光源11而使用He-Ne激光器时若以He-Ne激光器的波长633nm换算，则相当于0.079波长的位置误差。由此可知，通过声波2的发射时刻的控制，能够在光声介质部8中非常高精度地控制平面声波9的位置。

检测光束14的位置和平面声波9的位置以上述方式控制时，检测光束14由于平面声波9而进行Bragg衍射的情况示出在图8(a)中。图8(a)是模式化地表示平面声波9在检测光束14的光路中通过的瞬间。平面声波9是在光声介质部8中传播的疏密波。因此，在光声介质部8中，生成与平面声波9的声压分布成比例的折射率分布。如上述，因为平面声波9由单一频率的正弦波构成，所以所生成的折射率分布成为以下周期构造，即，与声轴7平行的方向的周期等于平面声波9的波长，折射率的大小呈正弦波状变化，在与声轴7垂直的平面平行的方向上拥有一样的折射率分布。这样的周期的折射率分布，对于检测光束14，作为一维衍射光栅发挥功能。因此，检测光束14，若以满足以下所述的衍射条件的角度θ入射平面声波9，则生成衍射光201。该一维衍射光栅的光栅面是平面，并且，检测光束14的波阵面是平面，因此衍射光201为平面波光束。

在本发明的光声振动计100中，声波2由数量比2个周期多得多的正弦波构成。拥有很多光栅面数的一维衍射光栅作为振幅型相位光栅工作，因此产生的衍射是Bragg衍射。在Bragg衍射中，如图8(a)所示，检测光束14与衍射光201相对于平面声波9所构成的角度相等，分别为角度θ。角度θ是满足以下所述的Bragg衍射条件的离散的值。还有，声波2由2个周期左右的少数的正弦波构成并作为相位型衍射光栅工作时，衍射光201主要通过Raman-Nath衍射生成。在纯粹的Raman-Nath衍射中，检测光束14与衍射光201相对于平面声波9所构成的角度也可以不相等。因为Bragg衍射由Raman-Nath衍射生成高强度的衍射光201，所以在观察声压更小的散射波5上很适合。在本发明的光声振动计100中，使用由大量的正弦波构成的声波2，主要是使用由Bragg衍射生成的衍射光201。还有，在实际的摄像中，因为使用由低于数10波的正弦波构成的声波2，所以在衍射光201中混入有Raman-Nath衍射光。但是，如后述Raman-Nath衍射光向衍射光201的混入，在形成良好的实像18上适当地发挥着作用。

说明由平面声波9生成的一维衍射光栅的Bragg衍射条件。在图8(b)中，示出用于说明由平面声波9生成的一维衍射光栅的Bragg衍射条件的模式图。如图8(b)所示，由平面声波9生成的衍射光栅202的光栅间隔，等于光声介质部8中的声波的波长λa。以检测光束14中的一条单色光光线作为单色光203。另外，将单色光203的波长设为λo。单色光203入射衍射光栅202时，在各光栅中生成微弱的散射光。若着眼于来自相邻的光栅面的散射光，则在各光栅面朝相同方向散射的2条光线的光路长度差(2×λa×sinθ)等于波长λo的整数倍(m×λ0、m=±1、±2、…)时，2个散射光互相增强。此互相增强也在其他的光栅面发生，因此整体上产生高强度的散射光，即衍射光。基于以上的理由，衍射光出现的角度θ为式(1)。

【算式1】

$\mathrm{\θ}=\mathrm{Arc}\sin \left(\frac{{\mathrm{\λ}}_O/{\mathrm{\λ}}_a}{2\×m}\right),(m=\±1,\±2,...)---\left(1\right)$

式(1)是Bragg衍射条件，规定相对于光栅面的入射光线与出射光线的角度θ。还有，式(1)中的Arcsin表示反正弦函数。纯粹的Bragg衍射，是指衍射光栅202由无限片数的光栅面构成的状态下发生的衍射现象，如图8(b)所示，相对于光栅面的入射光线与出射光线的角度相等，为θ。由平面声波9生成的衍射光栅是拥有正弦的振幅分布的振幅型衍射光栅时，通过Bragg衍射能够得到只有级数m=0、±1的衍射光。然而，一般来说因为混入有Raman-Nath衍射光，所以|m|＞1的高级次的衍射光发生。平面声波9弱时，一般来说级数m越小，越能够得到高强度的衍射光201。因此，为了观测更弱的散射波5，优选使用m＝±1的衍射光201。图1所示的光声振动计使用的是m＝+1的衍射光，但也可以实现使用m＝-1的衍射光的光声振动计。

接下来，参照图8(c)，说明衍射光201在波阵面上，具有与平面声波9的波阵面上的声压分布成比例的光强度分布。如图8(c)所示，一般平面声波9在波阵面面内具有不一样的声压分布。因为光声介质部8中的折射率变化的空间分布与平面声波9的声压分布成比例，所以衍射光栅202的光栅面上的折射率变化量的面内分布不一样。假定声波2的脉冲持续时间内的对象物4的位移微小、且可视为静止时，衍射光栅202的光栅面上的折射率分布，在全部的光栅面相同。因此，衍射光栅202为一维衍射光栅，衍射光201主要由Bragg衍射生成(如上述，实际上混入有一些Raman-Nath衍射光)。这时，衍射光201的振幅(＝光强度的1/2次幂)与折射率变化量成比例，因此衍射光201的振幅与平面声波9的声压分布成比例。因此，衍射光201的波阵面上的光振幅分布与平面声波9的声压分布成比例。

衍射光201从光声介质部8出射，入射图像畸变校正部15。一边参照图9(a)，一边说明图像畸变校正部15的运转。图9(a)是表示在光声振动计100中衍射光201光束沿一个方向收缩的模式图。由式(1)可知，为了满足衍射条件，检测光束14必须相对于平面声波9倾斜入射。在此，使平面声波9的射束形状为直径L的圆形，使衍射光201的衍射角为θ(θ的定义与至此为止的说明相同)。如上述，由于检测光束14拥有包含平面声波9在内的射束直径，以及只在平面声波9的存在的区域生成衍射光201，所以衍射光201的射束形状为：在图9(a)所述的坐标系中沿y轴方向具有短径L×sinθ、沿x轴方向具有长径L的椭圆形。即，衍射光201的波阵面上的光振幅分布波，与使平面声波9的波阵面上的声压分布在y轴方向上加以sinθ倍了的分布成比例。

若使沿着一个方向收缩的衍射光201直接通过成像透镜系统16成像，生成实像18，则实像18成为向y轴方向歪曲的光学像，对象物4与实像18的相似性丧失。即，衍射光201具有朝向y轴方向的畸变像差。因此，通过图像畸变校正部15校正衍射光201的畸变。

在本实施方式中，图像畸变校正部15含有变形棱镜301。参照图9(b)，说明变形棱镜301的构成和功能。图9(b)是表示变形棱镜301的构成的模式图。如图9(b)所示，变形棱镜301由2个楔形棱镜303构成。

首先，一边参照图10，一边说明楔形棱镜303的功能。图10是表示透过楔形棱镜303的光线的情况的光线追跡图。楔形棱镜303处于折射率1的介质中，由折射率n的玻璃材构成。还有，楔形棱镜303是具有图10所示的截面形状的粗细一样的柱状，图10表示在包含相夹锐角α的2个面的法线的平面的楔形棱镜303的截面。

与包含相夹锐角α的2个面的法线的平面平行的光束入射楔形棱镜303时，在与同一平面平行的方向上折射的光线出射。将这样的光束向第一折射面的入射角设为θ₁，从第一折射面的出射角设为θ₂，从第二折射面的出射角设为θ₃。另外，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，如果给出θ₁、α、n，则θ₂、θ₃能够根据以下的式(2)求得。

【算式2】

sinθ₁=n×sinθ₂

n×sin(α-θ₂)=sinθ₃        (2)

另外，由图10可知，入射光与来自楔形棱镜303的出射光具有不同的射束直径。如果使用图10的符号，则以L_out/L_in计算的光束放大率由以下的式(3)表示。

【算式3】

$\frac{L_{\mathrm{out}}}{L_{\mathrm{in}}}=\sqrt{\frac{n^2+(n^2-1){\tan }^2{\mathrm{\θ}}_1}{n^2+(n^2-1){\tan }^2{\mathrm{\θ}}_3}}---\left(3\right)$

由式(2)和式(3)可知，通过选择楔形棱镜303的α、n与入射角θ₁，能够实现希望的光束放大率。

如图9(b)所示，变形棱镜301，通过组合一个以上图10所示的楔形棱镜303而构成。如图9(b)所示，若使用2个同一形状的楔形棱镜303，则能够使朝向变形棱镜301的入射光与出射光的方向平行，具有容易进行光学系统调整这样的优点。

根据以上的原理，变形棱镜301作为光束射束直径的放大光学系统发挥功能。在光声振动计100中，选择楔形棱镜303的α、n与入射角θ₁，如图9(b)所示使衍射光201光束沿y轴方向放大1/sinθ倍。由此，能够得到具有直径L的圆形的光束截面的畸变校正后的衍射光302。因此，畸变校正后的衍射光302在其波阵面上，具有与平面声波9的波阵面上的声压分布成比例的光振幅分布。即，畸变校正后的衍射光302，虽然有与作为超声波的平面声波9拥有不同的波长这样的差异，但是，因为使平面声波9的波阵面上的声压分布全部作为光振幅分布而再现，所以与对象物4相似的实像18的生成得以补偿。

回到图1，继续光声振动计100的声波图像取得的说明。如图1所示，畸变校正后的衍射光302，在通过分束器22时重叠了由参照光源23生成的参照光束24后，由拥有焦距F的成像透镜系统16会聚。因为衍射光302和参照光束24是平行光束，所以会聚到成像透镜系统16的焦平面上而形成实像18。在此，所谓成像透镜系统16的焦平面，是指在成像透镜系统16的焦距设为F时，与成像透镜系统16的光轴垂直而从成像透镜系统16沿图像接收部17方向离开F的平面。在成像透镜系统16的焦平面上，定位图像接收部17的光接收面而设置，将焦平面上的实像18作为光学图像进行摄影。

在至此为止的说明中，检测光束14只由具有与光轴13垂直的波阵面的平面波光束构成，另外，平面声波9只由与声轴7垂直的平面声波构成。但是，如参照图2说明的，对象物4不是处于声轴7上的点，而是拥有有限的大小，在此由声透镜系统6转换的平面声波9，含有大量的与声轴7不垂直的平面声波。本实施方式的光声摄像装置，通过检测光束14由行进行方向不同的多个单色光的重叠而构成，即使是行进方向不同的平面声波9，也能够使Bragg衍射光产生。

图11是表示在对象物4上、且在位于声透镜系统6的焦平面21上的两点A、B上发生的球面波被转换成平面声波，由此生成Bragg衍射光的情况。与图2同样，点A位于声轴7与焦平面21的交点上，但点B不位于声轴7上。如图11所示，在点A发生的散射波5形成的平面声波的波阵面A成为与声轴7垂直的平面。另一方面，在处于声轴7外的点B发生的散射波5形成的平面声波的波阵面B不成为与声轴7垂直的平面，波阵面B相对于声轴7构成角度ψ。在此，角度ψ与图2同样地定义。

在由检测光源19生成的大量的平面波光束之中，着眼于与光轴13平行的平面波光束911。使平面波光束911相对于波阵面A以满足Bragg衍射条件的角度θ入射，如此调整声轴7与光轴13的角度。因此，在波阵面A生成衍射光。不过，相对于波阵面B的平面波光束911的入射角为θ-ψ，不满足Bragg衍射条件，衍射光没有生成。因此，只有平面波光束911时，相当于来自点B的散射波5的衍射光未被生成，相当于点B的光学像从实像18缺失。

为了在波阵面B生成衍射光，如图11所示，以从光轴13沿顺时针方向倾斜角度ψ的平面波光束912照射波阵面B。因为平面波光束912以角度θ入射波阵面B，所以与来自点B的平面声波9所相当的衍射光生成。因此，这种情况下，与点B所相当的光学像不会从实像18缺失。

如此，为了使相当于点A和点B的光学像包含在实像18中，使用平面波光束911和平面波光束912这两方。根据同样的考察，为了使与点A和点B以外的点所相当的光学像包含在实像18中，使用具有使在这些点发生的散射波5所对应的衍射光出现的入射角度的平面波光束。因此，通过使用行进方向互不相同的多个单色光重叠的检测光束14，在焦平面21中，可以不仅在声轴7上的区域也在声轴7的周围的区域进行摄影，能够实现以大视场角将对象物4的像加以摄影的光声振动计100。另外，将对象物4的像加以摄影，不用进行现有的超声波诊断装置的延迟合成信号处理这样复杂的信号处理，通过将衍射光作为光学像加以检测就能进行。因此，能够高速将对象物4的像加以摄影。

还有，在焦平面21上，实际的对象物4由无数的点构成。因此，为了以高分辨率进行对象物4的摄影，需要准备无数的平面波光束，本实施方式的这样的仅仅通过拥有离散的入射角度的有限个数的平面波光束，实像18被看作是由与平面光束的条数相等的个数的离散的点构成的光学像。但是，平面声波9是脉冲状的声波，由有限数的波阵面构成。因此，光声介质部8中所形成的衍射光栅的光栅面数也有限。如上述，由有限的光栅面数的衍射光栅产生的衍射光，除了Bragg衍射光以外，还含有Raman-Nath衍射光。Raman-Nath衍射的衍射条件不依存于入射角度，因此，例如即使在只照射平面波光束911时，实际上，不仅点A，其邻域的点的光学像也作为实像18被生成。因此，实际上，生成的实像18不是离散的点的集合，而是与对象物4相似的连续的光学像。

另外，由检测光源19重叠的多个平面波光束，实际上都具有有限的射束直径。所谓平行光束具有有限射束直径，意思是重叠的多个平行光束也是具有各种各样的行进方向的“完全的”平面波被重叠。在此，所谓“完全的”平面波，意思是数学意义上完全的平面，即具有扩展至无限远的平面的平面波。例如，即使像He-Ne激光器这样从激光器出射的单模光束，其出射光束也是高斯光束，波阵面并不是数学意义上完全的平面。这能够解释为是由于大量的“完全的”平面波微小的光束被重叠。如此，即使由检测光源19重叠的平面波光束的数量有限，各个平面波光束也含有无数重叠的微小的平面波光束。因此，由光声振动计100得到的实像18，不是成为离散的点的集合，而是成为与对象物4相似的连续的光学像。

如参照图7和图8说明的，变形棱镜301的光束放大率依存于光线向变形棱镜301的入射角(相当于图8的角度θ1)。因此，对应在平面波光束上重叠的多个单色光而生成的衍射光，以对变形棱镜301不同的入射角度入射，从而导致每个单色光其光束放大率不同。其结果是，即使通过变形棱镜301来校正被摄物体的像的畸变，实像18仍有畸变像差。为了除去该畸变，在本实施方式中，如图1所示这样具有图像处理部20。图像处理部20，对于图像接收部17所摄像的图像数据进行图像处理，由此校正残存的实像18的畸变，得到与对象物4相似的图像。

图像处理部20的畸变校正，可以通过使用了介质3和光声介质部8中的声速、和声透镜系统6和成像透镜系统16的集音/聚光特性的计算来进行。另外，对象物4是体内脏器等时，介质3是身体组织，根据受检体的个体差异和体温等的状态差异导致介质3的声速等也大不相同。这种情况下，将根据个体差异和状态差异所模型化的介质以及形状和尺寸可知的弹性体物体等的标准试验片作为对象物4而进行标准试验片的摄影，以使所得到的实像18确切地成为标准试验片的相似图像而进行校正，由此能够决定图像处理部20的畸变校正量。

另外，声透镜系统6的F数大(焦距比透镜口径长)、另外对象物4上的摄像区域小时，因为各衍射光201向变形棱镜301的入射角度的差小，光束放大率大体一定，也可以不进行由图像处理部20采取的实像18的畸变校正。

接着，说明本实施方式的光声振动计100中的对象物4和实像18的大小的关系。光声振动计100，能够视为由具有焦距f和F的2个光学透镜构成的双衍射光学系统的变形光学系统。在图12(a)中，示出用于说明光学领域中的双衍射光学系统的运转的概略图。

在图12(a)的双衍射光学系统中，透镜403和透镜404分别具有焦距f和F。透镜403和透镜404配置在彼此离开了距离f+F的光轴409上的两点上。另外，透镜403和透镜404的光轴与光轴409一致。一般来说，具有焦距f1的凸透镜，在以透镜为中心而从透镜离开了f1的光轴上的两点具有焦点。根据傅立叶光学，置于凸透镜的一方的焦点的物体、与另一方的焦点的光学像，彼此处于经傅立叶转换而加以转换的关系。因此，透镜403形成的被摄物体401的傅立叶变换像，形成于作为另一个焦平面(即，含有焦点，与光轴垂直的平面)的傅立叶变换面402上。傅立叶转换面402也是透镜404的焦平面，所以形成于傅立叶转换面402上的物体401的傅立叶转换像的傅立叶转换像，形成于透镜404的另一方的焦平面上。即，形成于透镜404的另一方的焦平面的光学像，相当于对物体401进行了两次傅立叶转换。因为两次傅立叶转换是相似映射(为将大小加以常数倍、且仅对图形的方向进行转换的映射)，所以作为物体401的两次傅立叶转换像的实像405，成为与物体401相似的图形。还有，实像405作为物体401的反转像而显现在透镜404的焦平面上，另外由于透镜403与透镜404的焦距不同，实像405的大小成为物体401的F/f倍。如此，在图12(a)的双衍射光学系统中，与物体401相似的光学图像作为实像405显现，如果将CCD等的摄像元件设置在形成有透镜404的实像一方的焦平面上，则能够进行物体401的摄像。

本实施方式的光声振动计100，可视为两个光学系统的一方被转换成声音系统的双衍射光学系统。能够视为如参照图8和图9而说明的，光声振动计100的衍射光201的生成和衍射光201的校正中，将波长λa的平面波、即平面声波9的波阵面上的振幅分布(声压)，转写成作为波长λo的平面波的畸变校正后的衍射光302的振幅分布(光)的声光转换装置。因此，光声振动计100的光声混合型光学系统，如图12(a)所示，是作为在由声透镜系统6和成像透镜系统16构成的双衍射光学系统之间插入将波长从λa转换成λo的声光转换部406的光声系统而发挥功能。因此，根据傅立叶光学，在图12(b)的双衍射光声系统中，与图12(a)同样，实像408也成为与物体407相似的光学像，在成像透镜系统16的焦平面上倒立反转而生成。

但是，在声光转换部406的前后，波长从λa变成λo。因此，实像408相对于物体407的大小成为(F×λo)/(f×λa)倍。λo/λa极小时，即，相比检测光束14的波长，光声介质部8中的超声波的波长非常长时，可以将F/f取得很大而增大(F×λo)/(f×λa)，从而使实像408不会极小，由此也可以使在图像接收部17所得到的光学图像的分辨率不下降。

如此，光声振动计中，通过声透镜系统透镜将来自对象物的散射波转换成平面声波，并利用行进方向互不相同的多个单色光重叠的检测光束生成衍射光。由图像接收部对该衍射光进行二维检测，由此能够摄影对象物4的光学像。不需要为了形成对象物的实像而进行现有的超声波诊断装置中的延迟处理这样的信号处理，因为能够被动地形成对象物的实像，所以能够高速取得对象物的图像。另外，因为能够被动地形成对象物的实像，所如以下说明的，也可以测量对象物的位移速度分布。

(2)位移速度分布取得时的运转

接下来，说明取得对象物4的位移速度分布时的光声振动计100的运转。光声振动计100中，通过观测被称为多普勒频移的来自运动物体的散射声波所发生的频率变化，从而计测对象物4的位移速度分布。首先，一边参照图13，一边对于在声波超声波照射时由运动物体生成的散射声波所发生的频率变化进行说明。

图13模式化地表示在介质3中配置对象物4、声波2传播且生成散射波5的状态。介质3中的声波2的传播速度，即声速是V。为了说明，对象物4在时间上进行周期性的或非周期性的运动和变形，在某一时刻，对象物4上的任意的位置x以速度v(x)(位置x和速度v(x)是矢量)位移。速度v(x)也可以在每个位置x具有不同的大小和方向。

声波2是具有频率f的平面声波。通过声波2的照射，在对象物4的表面和内部的反射和衍射所发生的散射波5的频率由相对于介质3处于静止状态的观测者231计测，其结果为频率f”。将声波2的行进方向设为e_i(e_i是量值为1的矢量)，将表示从位置x向观测者231的方向的方向矢量设为e_o(e_o也是量值为1的矢量)。

对象物4的形态在时间上发生变化时，声波2和散射波5各自的频率f、f”一般示出不同的值。该频率变化Δf(x)＝f”-f称为多普勒频移233。多普勒频移233是上述的3个矢量e_i、e_o、v(x)的函数，其具体的函数形由式(4)给出。

【算式4】Δf(x)=f-f″

$f^{\′\′}=\frac{V-v\left(x\right)\·e_i}{V-v\left(x\right)\·e_0}f---\left(4\right)$

式(4)中，v(x)·e_i表示2个矢量v(x)、e_i的内积。另外，v(x)·e_o表示2个矢量v(x)、e_o的内积。

若对象物4在各位置x的速度矢量v(x)不同，则来自其各点的散射波5拥有不同的频率。因此，如果计测来自位置x的散射波的多普勒频移233，则能够逆向推定位置x的速度矢量v(x)(确切地说，是向矢量e_i、e_o方向的v(x)的射影成分)。因此，能够计测位移速度的分布。

光声振动计100，将由上述的对象物4的位移而产生的多普勒频移233作为实像18的光强度的闪烁周期加以检测。检测例如是在图像处理部20中，基于从图像接收部17取得的电信号进行。为了说明，如图14所示，对象物4上不同的两点A、B分别以不同的速度矢量v(x_A)、v(x_B)运动。若对于对象物4照射频率f的声波2，则散射波5分别从两点A、B发生。两点A、B处于声透镜系统6的焦平面21上时，来自各点的散射波5被转换成具有互不相同的波阵面A、B的平面声波。因为两点A、B拥有不同的速度矢量v(x_A)、v(x_B)，所以如参照图13说明的，来自各点的散射波5分别受到了不同的多普勒频移Δf(x_A)、Δf(x_B)。因此，由声透镜系统6转换的具有波阵面A、波阵面B的平面声波，分别具有不同的频率f+Δf(x_A)、f+Δf(x_B)。还有，因为从焦平面21上的全部的点x生成散射波5，所以通过声透镜系统6的散射波5，成为拥有频率f+Δf(x)、且在互不相同的方向上进行的平面声波重叠的平面声波9。

如参照图11说明的，分别对于具有波阵面A、波阵面B的平面声波，以满足Bragg衍射条件的角度照射检测光束14，从而由各个平面波生成衍射光201。衍射光201包含各平面声波的声压强度分布和传播方向的信息，并且，包含各平面声波的多普勒频移Δf(x)的信息。如图15所示，若对于具有频率f的平面声波9，以满足Bragg衍射条件的角度θ入射具有频率v的检测光束14，则生成衍射光201。因为平面声波9是行进声波，所以该衍射现象是与光声调制器的衍射现象相同的物理现象。即，与检测光束14的振动数相比，衍射光201的振动数按平面声波9的振动数f发生变化(即，受到频率调制)。具体来说，衍射光201是+1级衍射光时，衍射光201的振动数为v+f，按平面声波9的频率f而振动数增加。还有，0级衍射光没有振动数变化发生(v的状态)。在-1级衍射光中，按平面声波9的频率f而频率降低，振动数为v-f。如此，衍射光201除了平面声波9的声压强度分布和传播方向以外还包含频率信息。

因此，在光声振动计100所生成的实像18上的各点所聚焦的光点，拥有与对象物4的位移速度相应的不同频率。为了对此加以说明，将除去了参照光源23时的光线追跡图示出在图16。通过光声振动计100，与对象物4相似的实像18被投影到图像接收部17的光接收面上，这一点如上述。在此，着眼于对象物4上的两点A、B。因为两点A、B以不同的速度矢量v(x_A)、v(x_B)位移，所以各自的散射波5受到不同的多普勒频移Δf(x_A)、Δf(x_B)，由声透镜系统6分别转换成具有频率f+Δf(x_A)、f+Δf(x_B)的平面声波。平面声波被振动数v的检测光束14照明，通过Bragg衍射而生成与两点A、B所相当的衍射光。各个衍射光受到来自平面声波的频率调制。在本实施方式中，因为将+1级衍射光用于实像18的形成，所以各个衍射光的振动数为v+f+Δf(x_A)、v+f+Δf(x_B)。通过畸变校正部15和成像透镜系统16，各衍射光作为光点会聚到实像18上的点A’、B’。各个光点具有不同的振动数v+f+Δf(x_A)、v+f+Δf(x_B)。如此，对应对象物4上的位移速度矢量分布v(x)，形成实像18的光点具有振动数分布v+f+Δf(x)。

因此，通过计测振动数分布v+f+Δf(x)，能够计测对象物4上的速度矢量分布v(x)。但是，v+f+Δf(x)与可视光的振动数具有同级的非常高的振动数，因此计测一般不容易。因此，光声振动计100，将通过参照光源23生成的参照光束24重叠在畸变校正后的衍射光302下，利用干涉来计测Δf(x)。例如，若使振动数v和振动数v+Δv(其中，v＞＞Δv)的两个单色光光线重叠干涉，则光强度以差频Δv的频率变动的跳动光生成。光声振动计100利用这一原理。

图17模式化地表示利用分束器22，在畸变校正后的衍射光302上重叠由参照光源23生成的参照光束24，通过成像透镜系统16会聚所生成的跳动光，形成实像18的情况。在图17中，与图16同样，对象物4上的两点A、B所相当的在实像18上的两点分别是A’、B’，形成两点A’、B’上的光点的畸变校正后的衍射光302受到频率调制，具有振动数v+f+Δf(x_A)、v+f+Δf(x_B)。如参照图6说明的，参照光束24是使具有各种行进方向的振动数v+f’的平面波光束重叠而成的光束。因此，通过分束器22，将参照光束24重叠在畸变校正后的衍射光302上，由此对于形成光点A’、B’的各个平面波光束，使波阵面一致的振动数v+f’的平面波光束干涉，能够生成跳动光。其结果是，实像18上的光点A’、B’，成为以畸变校正后的衍射光302与参照光束24的差频发生强度变动的跳动光。具体来说，光点A’、B’的光强度的变动频率分别为Δf(x_A)+(f-f’)、Δf(x_B)+(f-f’)。其光强度变动的周期十分慢，可以计测。如此，光声振动计100的实像18，成为根据位置而闪烁速度不同的光点所构成的光学像。更具体地说，实像18成为以对象物4上的速度矢量分布v(x)所对应的拍频Δf(x)+(f-f’)闪烁的光学像。

接下来，一边参照图18，一边说明光声振动计100的实像18的拍频分布Δf(x)+(f-f’)的计测方法。作为光声振动计100的图像接收部17，使用具有拍频Δf(x)+(f-f’)的数倍以上的帧频的高速的摄像元件。作为这样的摄像元件，例如，如下面的具体的构成例所述，能够使用例如二维排列有多个像素的CCD(固体摄像元件)等的全局快门的高速摄像元件。所谓全局快门，是指全部像素的摄像定时一致的图像获取方法。

首先，通过图像接收部17进行在连续的帧至少2以上的摄像。其次，以取得的图像数据(由多帧构成)基础，计测每个像素281的光强度的时间变化。然后，根据计测的光强度的时间变化求得每个像素281的拍频。

因为预先了解声波2的频率f和从光声调制器214出射的单色光的调制频率f’，所以能够根据每个像素281的拍频，计算多普勒频移Δf(x)。根据求得的多普勒频移Δf(x)，计算对象物4上的速度矢量分布v(x)。具体来说，运用由式(4)导出的式(5)来计算速度矢量分布v(x)。

【算式5】

v(x)·{e_i+(k-1)e₀}=kV

$k=\frac{\mathrm{\Δf}\left(x\right)}{f}---\left(5\right)$

式(5)中的常数k根据测定的多普勒频移Δf(x)和声波2的频率f求得，矢量e_i、e_o能够由光声振动计100的装置构成和摄像图像取得。因此，根据计测的多普勒频移Δf(x)，能够求得朝向矢量e_i+(k-1)e_o方向的速度矢量分布v(x)的大小。如此，光声振动计100，根据实像18的拍频分布Δf(x)+(f-f’)，能够计测朝向矢量e_i+(k-1)e_o方向的对象物4的速度矢量分布v(x)的大小。

不计测朝向矢量e_i+(k-1)e_o方向的对象物4的速度矢量分布v(x)的大小，而是进行作为对象物4的速度矢量分布v(x)的矢量的计测时，使用以下的构成和计算方法。由式(5)可知，以m₀个不同的e_i=e_i ^m(m=1、2、…、m₀。其中，m₀是3以上的整数)进行拍频分布Δ^mf(x)的测定，将所得到的m₀个k=k^m=Δ^mf(x)/f(m=1、2、…、m₀。其中，m₀是3以上的整数)的测常数据，和e_i=e_i ^m、eo代入式(5)，如果使所得到的m₀个方程式联立，则能够作为三种成分矢量而求得速度矢量分布v(x)。这是由于式(5)是对于三种成分的未知函数v(x)的线型方程式，因此对于m₀≥3个独立的方程式必定有解。如此，能够进行作为矢量的速度矢量分布v(x)的测定。还有，三种以上不同的e_i(=e_i ^m)，例如，通过设置图19所示这样的m₀(=3)个不同的声波源1来实现。这种情况下，为了区别从不同的声波源1出射的声波2，优选从不同的声波源1出射的声波2的频率不同。或者不同的声波源1出射相同的频率的声波2时，优选使出射的时机错开。

光声振动计100的由声波进行的图像的摄像和速度矢量分布v(x)的计测，例如，能够遵循以下的步骤进行。如图20(a)所示，使用在不同的时刻由图像接收部17所摄像的两个图像数据，根据各个图像数据，进行对象物的图像的摄影和速度矢量v(x)的计测。计测期间，优选以视为对象物4静止的方式，使两个图像数据的取得时刻接近。具体来说，例如，首先关闭参照光源23的快门215(图6)，进行由声波进行的对象物4的摄影。其次，打开快门215，取得重叠有参照光束24的图像数据，根据参照图18说明的方法，进行速度矢量分布v(x)的计测。如上述，从参照光源23出射的参照光束24的光强度分布均匀，但含有斑纹图样。因此参照光束24重叠，发生干涉时生成的实像18，在对象物4的实像上重叠有斑纹图样，比没有参照光束24的重叠时的实像18劣化。如此，通过以其他帧进行对象物的图像的摄影和速度矢量v(x)的计测，能够得到高精细的图像和位移速度分布图像。

或者，如图20(b)所示，也可以始终打开参照光源23的快门215，只取得重叠有由参照光束24形成的斑纹图样的光学像。这种情况下，根据所得到的图像数据，通过参照图18说明的方法进行速度矢量分布v(x)的计测，并且通过图像滤波除去斑纹图样，再现没有参照光束24重叠时的对象物4的光学像。由图像处理去除斑纹图样的技术已确立，例如，通过使用减少散斑噪声滤波器，能够以高精度再现没有斑纹图样的光学像，即，没有参照光束24重叠时的对象物4的光学像。根据这一方法，因为根据一个图像数据进行图像摄像和位移速度分布v(x)的计测，所以可以使计测高速化。

如此，本实施方式的光声振动计，在上述衍射光上，重叠了使行进方向互不相同的多个单色光重叠而成的参照光，由图像接收部进行二维检测。由此，能够将由于对象物的各部分位移而产生的多普勒频移作为各部分的亮度变化进行检测。

3.具体的构成例

接下来，说明本实施方式的光声振动计100的更具体的构成例。

在图21中示出光声振动计100的具体的构成例。图21所示的装置的构成，适合于如超声波诊断装置这样从体外朝向体内脏器照射声波2，进行心壁和动脉血管壁等脏器的摄像，和观察脏器的运动/位移状态。

如图21所示，观察体内脏器时，介质3是身体组织。从声波源1，出射例如由频率13.8MHz的正弦波20波构成的猝发信号作为声波2。该猝发信号的信号持续时间为1.4μsec(1.4×10^-6秒)。另外，因为身体组织中的声速约为1500m/s，所以身体组织中的声波2的波长约为110μm，与声波2的行进方向平行地测量的物理的信号长约2.2mm。因此，在图21的光声振动计中，能够将最大以数100kHz的振动数振动的对象物4以数100μm的空间分辨率进行摄影。

作为光声介质部8，使用声速50m/s的二氧化硅纳米多孔体。就二氧化硅纳米多孔体而言，因为低声速且超声波的传播波长短，所以能够得到大衍射角。另外，二氧化硅纳米多孔体，对于波长633nm的He-Ne激光器光具有充分的透光性，在图21所示的构成例中适用。富有透光性的Fluorinert等的氟系溶剂也是低声速(声速约630m/s)介质，能够适用为光声介质部8。

如上述，作为单色光源11使用波长633nm的He-Ne激光器。这种情况下，在图21所示的构成例中，1级衍射光的衍射角约为5°。1级衍射光的衍射角为5°时，应由图像畸变校正部15实现的光束放大率约为5.74，这可以用市场销售的变形棱镜进行补偿。

对可照射体内的超声波的声压有限制(合法的上限)时，为了对所生成的衍射光的光强度弱的组织进行观察，作为图像接收部17使用灵敏度高的摄像元件。另外，从画质和光量的观点出发，为了捕捉到平面声波9穿过检测光束14的瞬间的实像18，此外，为了通过连拍经由多普勒频移量的计测而观察对象物4的活动，作为图像接收部17适用能够高速摄像的摄像元件。作为图像接收部17使用的摄像元件的帧频，能够根据对象物4的位移速度适宜选择。例如，检测心脏的活动(最大位移速度为0.07m/s左右)时，作为图像接收部17，使用2000帧/秒左右的高速的CCD图像传感器(Charge Coupled Device Image Sensor)。实像18的亮度不充分，得到良好的图像困难时，也可以将图像增倍管配置在图像传感器之前，使实像18的亮度上升。或者，也可以使用更高输出功率的单色光源11。还有，为了抑制因对象物4的位移造成的实像18的变形，如上述，优选图像传感器具有全局快门。

如上述，在声阻抗不同的声音介质间的界面发生超声波的反射波，招致实像18的亮度像质的降低。声阻抗差越大的界面，越会产生高强度的反射。因此，在图21所示的构成例中，在声透镜系统6与光声介质部8的界面，设置作为防反射膜发挥功能的匹配层(B)2106。例如，作为介质3的身体组织具有与水同程度的声特性(声速1500m/s，密度1g/cm³)，作为光声介质部8，使用声速50m/s，密度0.11g/cm³的二氧化硅纳米多孔体时，将声速367m/s，密度0.27g/cm³的二氧化硅纳米多孔体所构成的厚6.7μm的薄膜，层叠在与厚140μm(一波长匹配膜)的聚苯乙烯制的平行平板状的光声介质部8接合的面上，作为匹配层(B)2106。

如上述，相对于对象物4的实像18的大小为(F×λo)/(f×λa)倍。光的波长λ0为633nm，声速50m/s的二氧化硅纳米多孔体的13.8MHz的超声波的波长λa为3.6μm，由此在图像接收部17上，得到相对于对象物4为1/5的实像18时，根据(F×633)/(f×3600)=1/5，成为F/f=1.14。因此，使用具有焦距103mm的声透镜系统6时，使用焦距117(1.14×103)mm的成像透镜系统16即可。

如一边参照图10一边说明的，若相对于对象物4的实像18的相似比(F×λo)/(f×λa)增大，则成像透镜系统16的焦距变长，光声振动计100整体有大型化的情况。这种情况下，作为成像透镜系统16，例如，通过使用卡塞格林(Cassegrain)光学系统所代表的反射光学系统，能够减小成像透镜系统16的外形。另外，可以将成像透镜系统16和实像408的距离配置得比实际的焦距F近，这能够使光声振动计100小型化。

此外，通过将声透镜系统6和成像透镜系统16的距离配置得比f+F近，也能够实现光声振动计100的小型化。一边参照图12(b)，一边对于光声振动计100的光声混合型光学系统看作光学领域的双衍射光学系统的情况进行了说明。根据双衍射光学系统的基本构成，使声透镜系统6与成像透镜系统16按照离开各自透镜的焦距的和f+F的方式配置。然而，即使将声透镜系统6与成像透镜系统16间的距离设定为f+F以外的值，也不影响实像408的光学像形成。即只要将实像408的光学像作为光强度分布而取得(或只要不观测实像408的相位分布信息)，就可以使声透镜系统6和成像透镜系统16间的距离比f+F有所缩短，能够使光声振动计100进一步小型化。

一边参照图22，一边说明了光声振动计100的具体的应用例。如图22所示，光声振动计100能够作为医疗诊断等中使用的、以非侵入方式观察体内的脏器1501的可视化装置使用。在图22所示的例子中，与现有的超声波探头同样，光声振动计100集成为一个单元。在该单元中，集成有图1所示的全部装置构成、或者除去单色光源11以外的全部装置构成。摄像时，使光声振动计100与受检者1502的体表接触，将从声波源1发生的声波2从体外向体内发送。这时，从高灵敏度化的观点出发，也可以使体表的声波2的反射造成的衰减减少。这通过在光声振动计100的接触面与体表之间，取得身体组织和构成声波源1的接触面的材质的声阻抗匹配来实现。作为这样的匹配方法，可列举例如使用现有的超声波诊断装置所采用的匹配用凝胶和乳剂、或在声波源1的表面上设置声阻抗匹配层。

进入体内的声波2的一部分被脏器1501散射，成为散射波5。到达声透镜系统6的散射波5，被声透镜系统6转换成平面波，通过上述的光声振动计100的运转而取得脏器1501的图像。处于与光声振动计100的声轴7(未图示)垂直的面内、且处于摄像区域外的脏器1501的摄像，与现有的超声波探头一样，通过使光声振动计100在体表移动来进行。另外，处于体内不同的深度的脏器的摄像，通过声透镜系统6的焦距调整机构2108进行。

还有，本实施方式的光声振动计100可以进行各种改变。例如，光声振动计100也可以具备设于成像透镜系统16的变焦机构。由此，能够实现变焦功能。具体来说，可以改变对象物4和实像18的相似比，使对象物4更详细的部位的观察和更大范围的区域的观察变得容易。

另外，在本实施方式，如图23(a)所示，从声波吸收端10侧向对象物4的方向倾斜而照射检测光束14。但是，如图23(b)所示，也可以从对象物4侧向声波吸收端10侧倾斜而照射检测光束14。这种情况下，衍射光201’向对象物4侧出射。另外，对于图23(a)的配置中所得到的实像，能够得到以图12(b)的纸面为镜像对称面的处于镜像关系的实像。因此，为了得到处于正确方向的对象物4的实像18，通过使所摄影的图像以平面镜等进行一次反射，使之在光学上进行镜像反转、或通过图像处理部20进行镜像反转。

另外，在本实施方式中，作为图像畸变校正部15使用变形棱镜301，但也可以将具有同样作用的其他的光学系统用于图像畸变校正部15。例如，也可以使用2片聚光型柱面透镜，构成图像畸变校正部15。如图24所示，柱面透镜151是：在与设定在图中的坐标系的yz面平行的面内作为聚光透镜发挥功能、但在与xz平面平行的平面中不具备聚光作用的光学元件。如图25所示，将有集光作用的平面相互正交的2片柱面透镜加以组合的光学系统，作为兼备图像畸变校正部15和成像透镜系统16的作用的光学系统运转。图25中的坐标系与图9(b)的坐标系一致。相对于该坐标系，在图25所示的方向上配置柱面透镜161和柱面透镜162。柱面透镜161的一方具有比柱面透镜162长的焦距，两透镜的焦点一致。由柱面透镜161、162构成的光学系统，作为在yz平面和xz平面以不同比率成像的光学系统发挥功能。以校正图3中的光束的扁平率sinθ的方式、即使y轴方向与x轴方向的像的比率为1/sinθ的方式，选择两透镜的焦距，如此与变形棱镜301同样，能够形成与对象物4相似的实像18。具体来说，以柱面透镜162的焦距达到柱面透镜161的焦距的sinθ倍的方式设定即可。柱面透镜161的焦距，由对象物4与实像18的相似比决定。

使用图25所示的光学系统取代图像畸变校正部15和成像透镜系统16时，通过柱面透镜161和柱面透镜162，能够充分地校正畸变。这种情况下，也可以不进行借助图像处理部20的畸变校正。

如上，光声振动计100能够高精细且高速地取得图像，并且不需要依赖于检查对象的特殊的检查环境，就能够观察脏器的弹性特性。另外，能够计测脏器的各部的位移速度分布。

(第二实施方式)

说明本发明的光声摄像装置的第二实施方式。第二实施方式的光声振动计，除了图像畸变校正部15的构成不同以外，均与第一实施方式的光声振动计相同。因此，只说明图像畸变校正部15的构成。图26模式化地表示本实施方式的图像畸变校正部15的构成。

如第一实施方式中说明的，在光声振动计100中，由检测光源19生成的检测光束14，重叠有行进方向不同的多条平面波光束。以下，着眼于这些平面波光束之中与光轴13平行的平面波光束进行说明。

如参照图9(a)说明的，将衍射角设为θ时，由Bragg衍射生成的衍射光201的光束，在图9(a)中设定的坐标的y轴方向上收缩sinθ倍。因此，若通过成像透镜系统16使衍射光201直接成像，则实像18在y轴方向上发生畸变，不能获得与对象物4相似的实像18。因此，图像畸变校正部15，在图9(a)中设定的坐标的y轴方向上以1/sinθ倍校正光束的畸变。在第一实施方式中，通过使用了作为光学元件的变形棱镜和柱面透镜的光学系统，实现图像畸变校正部15。

在本实施方式中，不是以光学上的方法来实现图像畸变校正部15的功能。如图26所示，由成像透镜系统16使畸变状态的衍射光201成像。这种情况下，实像801在y轴方向上发生畸变，但该状态下的实像801由图像接收部17取得。图像处理部20，从图像接收部17接收表示实像801的电信号，通过图像处理去除实像801的图像畸变。例如，在图26所示的坐标系中，对于实像801在y方向上进行1/sinθ倍的图像处理，由此生成与对象物4相似的图像。

根据本实施方式，能够减小所使用的光学元件的数量。另外，不需要为了在图像处理部20中实现图像畸变校正部15的功能，而设置光学的图像畸变校正部15的空间。因此，能够抑制制造成本，实现小型的光声振动计。

还有，衍射角θ小时，在图像接收部17的成像面上，对象物4成为在图9(a)所设定的坐标的y轴方向上大大地拉伸的图像，图像处理后的图像解像度在x轴方向、y轴方向不同。因此，也可以将图9(b)所示的光学的图像畸变校正部15、和图像处理部20的基于图像处理的图像畸变校正部15并用。

另外，图9(b)所示的作为光学的图像畸变校正部15，使用变形棱镜301，此外还使用本实施方式的基于图像处理的图像畸变校正部15时，因为大量的衍射光201向变形棱镜301的入射角度不同引起的像面歪曲发生，所以此像差校正也可以由图像处理部20再进行。

(第三实施方式)

说明本发明的光声摄像装置的第三实施方式。第三实施方式的光声振动计，除了图像畸变校正部15的构成不同以外，与第一实施方式的光声振动计100相同。因此，只说明图像畸变校正部15的构成。图27是模式化地表示本实施方式的图像畸变校正部15的构成。

若将衍射光的衍射角设为θ(θ的定义与至此为止说明的相同)，则本实施方式的图像畸变校正部15，包含在图25的设定坐标的x轴方向上使衍射光201的光束宽度为sinθ倍的缩小光学系统901。若平面声波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，是x轴方向上为L、y轴方向上为L×sinθ的椭圆。在缩小光学系统901的作用下，衍射光201在x轴方向上成为sinθ倍，因此畸变校正后的衍射光902的光束的截面形状成为直径L×sinθ的圆形。在第一实施方式中，图像畸变校正部15将衍射光201校正为直径L的光束，但在本实施方式中校正为直径L×sinθ的光束。

与第一实施方式同样，在本实施方式中，也将设声透镜系统6的焦距设为f，成像透镜系统16的焦距设为F，作为超声波的平面声波9的波长为设λa，作为单色光的检测光束14的波长设为λo，然后，衍射角设为θ。这时，因为畸变校正后的衍射光902的光束截面形状变成圆形，所以实像18与对象物4相似。另外，根据傅立叶光学，其相似比为(λa×f)/(λo×F)×sinθ。不过，因为存在式(1)的关系，所以衍射光201为+1级衍射光时，相似比为1/2×(f/F)。

如此，借助缩小光学系统901，相似比不再依存于超声波和单色光的波长，因此，例如，如果以f/F=2的方式选择声透镜系统6和成像透镜系统16的焦距的比，则能够得到与对象物4同等大小的实像18，可以由高分辨率取得对象物4的图像。此外，如果减小f，则F也变小，因此也可以实现本光声振动计的小型化。此外，由于畸变校正后的衍射光902的光束变细，所以成像透镜系统16的口径直径变小，装置整体被小型化，并且对于成像透镜系统16来说不需要高的面精度。

在第一实施方式中，相对于对象物4的实像18的相似比为(F×λo)/(f×λa)。如图21所示的具体例所述，实际上超声波波长λa比单色光波长λo长得多，因此为了得到大的实像18而需要焦距非常长的成像透镜系统16。因此，光声振动计100大型化、或需要应用特殊构成的成像透镜系统16(譬如，上述的卡塞格林型的反射光学系统)。相对于此，根据本实施方式，作为图像畸变校正部15而使用缩小光学系统901，即使使用小口径直径且短焦距的成像透镜系统16，也可以在高分辨率下拍摄(摄影)实像18，并且，可以实现光声振动计的小型化。

还有，在本实施方式中，缩小光学系统901由变形棱镜构成，但也可以使用具有同样作用的其他缩小光学系统。

另外，在本实施方式中，平面声波9的声束截面形状是直径L的圆形时，能够得到光束截面形状为直径L×sinθ的圆形状的畸变校正后的衍射光902。但是，使畸变校正后的衍射光902的光束截面形状成为C×L(其中，C＜1)的圆形而进行校正，也可以抑制成像透镜系统16的焦点变长，提高摄影的分辨率，例如，也可以设置2个图像畸变校正部15，在图27所示的坐标中，对于x轴方向使用缩小光学系统，对于y轴方向使用放大光学系统。选择x轴方向的光束缩小率，y方向的光束放大率，使畸变校正后的衍射光902的光束截面形状成为C×L(其中，C＜1)的圆形即可。

此外，也可以实现具备本实施方式的缩小光学系统901和第二实施方式的图像畸变校正部15的光声振动计。这种情况下，例如，使畸变校正后的衍射光902的光束截面形状在图27所示的坐标系中，在x轴方向上成为C×L(其中，C＜1)、在y轴方向上为L×sinθ的椭圆形状，而设定缩小光学系统901的光束缩小率。由此，不论是否在成像透镜系统16的焦平面上，所拍摄到的图像的分辨率都大体相等。

(第四实施方式)

说明本发明的光声摄像装置的第四实施方式。第四实施方式的光声振动计，在还具备角度调整部1302和角度调整部1303这一点上与第一实施方式的光声摄像装置102不同。其他的构成要素与第一实施方式的光声振动计100同样地发挥功能，因此，以下主要说明角度调整部1302和角度调整部1303。

图28所示，由图像畸变校正部15、成像透镜系统16和图像接收部17的构成的光学系统，作为衍射光成像光学系统1304。另外，光轴1301处于声轴7与光轴13决定的平面内，是以声轴7为对称轴而与光轴13成镜像对称的直线。

本实施方式的光声振动计200，具备如下：角度调整部1302，其调整检测光源19的光轴13对声轴7的夹角；角度调整部1303，其调整衍射光成像光学系统1305的光轴1301对声轴7的夹角。角度调整部1302和角度调整部1303彼此联动，通常其角度调整方式为，使声轴7和光轴13构成的角度、与声轴7和光轴1301构成的角度总是相等。

如第一实施方式中说明的，由构成声波2的正弦波的频率、和来自单色光源11的出射光波长，决定衍射光201对声轴7的衍射角90°-θ。因此，本实施方式的光声振动计200，即使声波2的频率改变，如果利用角度调整部1302和角度调整部1303调整衍射角，则也能够将对象物4加以摄影。

由于光声振动计200具有的声波2的频率能够自由设定，即使构成声波2的正弦波的频率发生变化，也可以生成实像18。通过以不同频率的声波2观测对象物4，可以改变摄像分辨率。根据这一特长，可以首先使用频率低的声波2，粗略地观测对象物4；其次使用频率高的声波2观测细部。由此，能够实现摄像时间的缩短和图像数据量的削减。

(第五实施方式)

说明本发明的光声摄像装置的第五实施方式。第五实施方式的光声振动计，具备由成像透镜系统和图像接收部构成的光学系统两组，在这一点上与第一实施方式的光声振动计100不同。以下，主要说明与第一实施方式不同的点。

在第一实施方式中，通过以不同的帧进行对象物4的图像的摄影和速度矢量分布v(x)的计测(图20(a))，进行高精细的图像和位移速度分布的计测。另外，同时进行对象物4的图像的摄影和速度矢量分布v(x)的计测，经过图像处理，实现散斑的减少(图20(b))，由此实现斑纹图样得到抑制的图像和位移速度分布的计测的高速化。但是，根据前者的方法，存在位移速度分布的计测无法十分高速进行的情况。另外，根据后者的方法，存在图像中的斑纹图样的抑制不充分的情况。

在本实施方式中，为了实现没有斑纹图样的高精细的图像和位移速度分布的高速计测，具备由成像透镜系统和图像接收部构成的光学系统两组，同时，或者使用相同的衍射波，进行对象物4的图像的摄影和速度矢量分布v(x)的计测。

为此，例如，本实施方式的光声振动计还具备偏光板311、312、313和偏振光分束器319。另外，具备成像透镜系统16a、16b和图像接收部17a、17b。如图29所示，用偏光板313将从参照光源23出射的参照光束24转换成直线偏振光。以坐标系318为基准时，使偏光板313的光学轴与y轴平行而配置偏光板313。由此，生成的直线偏振光的参照光束24’具有与y轴平行的偏振面。

偏振光分束器319按照只反射与y轴平行的直线偏振光的方式构成，参照光束24’全部被偏振光分束器319反射、且经由成像透镜系统16a入射到图像接收部17a、并没有到达图像接收部17b。畸变校正后的衍射光302，通过相对于y轴具有非平行的光学轴的偏光板311而被转换成直线偏振光的衍射光302’。因为衍射光302’的偏振面与y轴非平行，所以经由偏振光分束器319，被分割成具有与x轴方向平行的偏振面的直线偏振光、和具有与y轴方向平行的偏振面的直线偏振光。拥有与x轴方向平行的偏振面的直线偏振光透过偏振光分束器319，朝向图像接收部17a。另一方面，拥有与y轴方向平行的偏振面的直线偏振光被偏振光分束器319反射，被反射镜314反射之后，经由成像透镜系统16b入射图像接收部17b。

在图像接收部17b中只有畸变校正后的衍射光302入射。因此，实像18b成为没有斑纹图样的对象物4的光学像。通过图像接收部17b摄影对象物4，由此能够得到高画质的对象物4的图像。

另一方面，拥有与y轴平行的偏振面的参照光束24’，重叠在拥有与x轴平行的偏振面的畸变校正后的衍射光302’上，入射到图像接收部17a。但是，因为两个直线偏振光的偏振面彼此正交，所以不发生干涉。因此，使两条直线偏振光在拥有与y轴非平行的光学轴的偏光板312透过，使直线偏振光的偏振面一致，从而使之干涉。经过干涉，两条直线偏振光相互重叠的光成为跳动光。根据由图像接收部17a检测的实像18a，遵循第一实施方式中说明的方法，进行速度矢量分布v(x)的计测。作为三维矢量而进行速度矢量分布v(x)的计测时，采用参照图19说明的方法。

根据本实施方式，可以取得高精细的对象物4的图像，并且，能够实现能够高速进行位移速度分布的光声振动计。

产业上的可利用性

本申请所公开的光声振动计，能够将由声波形成的对象物的像作为光学图像取得，因此作为超声波诊断装置用的探头等有用。另外，即使是光无法到达的物体的内部，如果由超声波可以传播的材质构成，则也能够将物体内部的弹性模量分布作为光学图像观察，因此也能够应用于非破坏振动测定装置等的用途。此外，因为能够计测对象物的位移速度，所以能够适用为以非接触方式测量运动的非接触振动计、和测量振动的面内分布的振动模式分析装置

符号说明

1    声波源

2    声波

3    介质

4    对象物

5    散射波

6    声透镜系统

7    声轴

13、217、409、1301  光轴

8    光声介质部

9    平面声波

10   声波吸收端

11   单色光源

12、213  光束扩展器

14、32、901、902  平面波光束

15   图像畸变校正部

16、16a、16b  成像透镜系统

17、17a、17b  图像接收部

18、18a、18b、405、408、801  实像

19   检测光源

20   图像处理部

21、46  焦平面

22、33  分 束器

23   参照光源

24   调制光

31   均匀照明光学系统

34   分束器

41、44、45  复眼透镜

42、211  聚光透镜

43   均匀照明面

100、200  光声振动计

151、161、162  柱面透镜

201  衍射光

202  衍射光栅

203  单色光

212  散光板

214  光声调制器

215  快门

216  平行光束

221  第一光声调制器

222  第二光声调制器

231  观测者

232  入射波

233  多普勒频移

281  像素

301  变形棱镜

302、902  畸变校正后的衍射光

303  楔形棱镜

401、407  物体

402  傅立叶转换面

403、404  透镜

406  声光转换部

901  缩小光学系统

1302、1303  角度调整部

1304 衍射光成像光学系统

1501 脏器

1502 受检者

311、312、313  偏光板

318  坐标系

2106 匹配层(B)

Claims (25)

1.一种光声振动计，其特征在于，具备：

声波源；

声透镜系统，其将从所述声波源出射的声波照射对象物而产生的散射波转换成规定的会聚状态；

光声介质部，其按照使透过所述声透镜系统的散射波入射的方式配置；

检测光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的检测光束，该检测光束相对于所述声透镜系统的声轴以非垂直且非平行的角度入射所述光声介质部；

参照光源，其出射使彼此行进方向不同的多个单色光重叠而成的平行的参照光束，该参照光束与在所述光声介质部发生的由所述检测光束形成的衍射光重叠；

成像透镜系统，其使有所述参照光束重叠的所述衍射光会聚；

图像接收部，其检测由所述成像透镜会聚的光，且输出电信号。

2.根据权利要求1所述的光声振动计，其中，

所述检测光束和所述参照光束的振动数互不相同。

3.根据权利要求1所述的光声振动计，其中，

所述参照光源含有至少一个光声调制器。

4.根据权利要求3所述的光声振动计，其中，

所述参照光源含有散光板。

5.根据权利要求1所述的光声振动计，其中，

所述参照光源含有复眼透镜。

6.根据权利要求1所述的光声振动计，其中，

具备含有所述成像透镜和所述图像接收部的光学系统两组。

7.根据权利要求6所述的光声振动计，其中，

所述参照光源含有偏光板。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光声振动计，其中，

所述图像接收部是：具有二维配置的多个像素的二维图像传感器。

9.根据权利要求2所述的光声振动计，其中，

还具备图像处理部，该图像处理部基于所述电信号来检测由所述图像接收部的所述各像素检测到的光的量的时间变化。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光声振动计，其中，

所述参照光源含有：控制所述参照光束的出射时刻的快门。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光声振动计，其中，

具备至少3个所述声波源。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的光声振动计，其中，

还具备图像畸变校正部，该图像畸变校正部对由所述衍射光和所述电信号表示的所述对象物的像的至少一方的畸变进行校正。

13.根据权利要求11所述的光声振动计，其中，

所述图像畸变校正部含有：使所述衍射光的截面放大的光学构件。

14.根据权利要求11所述的光声振动计，其中，

所述图像畸变校正部含有：使所述衍射光的截面缩小的光学构件。

15.根据权利要求13或14所述的光声振动计，其中，

所述光学构件含有变形棱镜。

16.根据权利要求13或14所述的光声振动计，其中，

所述成像透镜和所述光学构件的至少一方含有：至少一个柱面透镜。

17.根据权利要求12所述的光声振动计，其中，

所述图像畸变校正部基于所述电信号对由所述电信号表示的所述对象物的图像的畸变进行校正。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的光声振动计，其中，

各单色光的光谱宽度低于10nm，所述单色光是拥有在所述单色光的中心频率的波长的10倍以下的波阵面精度的平面波。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的光声振动计，其中，

所述检测光源含有至少一个复眼透镜。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的光声振动计，其中，

所述声透镜系统含有：折射型声透镜和反射型声透镜的至少一方。

21.根据权利要求20所述的光声振动计，其中，

所述声透镜系统含有：从二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和聚苯乙烯中所选择的声元件至少一个。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的光声振动计，其中，

所述声透镜系统含有：焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方。

23.根据权利要求1至21中任一项所述的光声振动计，其中，

所述成像透镜系统含有：焦距调整机构和焦点位置调整机构的至少一方。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的光声振动计，其中，

所述光声介质部含有：二氧化硅纳米多孔体、氟系惰性液体和水的至少一个。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的光声振动计，其中，

从所述检测光源出射的检测光束的光轴，相对于所述声透镜的声轴能够调整。

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