JP2001517782A - Acoustic imaging system - Google Patents

Acoustic imaging system

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JP2001517782A
JP2001517782A JP2000513115A JP2000513115A JP2001517782A JP 2001517782 A JP2001517782 A JP 2001517782A JP 2000513115 A JP2000513115 A JP 2000513115A JP 2000513115 A JP2000513115 A JP 2000513115A JP 2001517782 A JP2001517782 A JP 2001517782A
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JP
Japan
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image
energy
acoustic
optical
acousto
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Application number
JP2000513115A
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Japanese (ja)
Inventor
ヤハブ・ギオラ
シュスター・イスラエル
Original Assignee
スリーディーヴィー システムズ リミテッド
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/002Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means for representing acoustic field distribution

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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】対象物の画像を形成する音響光学画像形成システム(18)で、対象物をイルミネートする音響エネルギー源と、該対象物からの散乱音響エネルギーを受け取る音響光学画像形成板とを有し、前記散乱音響エネルギー(37)は該音響光学画像形成板(10)において音響画像を形成し、音響エネルギー(37)を受けることにより生ずる該音響光学画像形成板の変化によってそのエネルギーの特性が変えられる光学エネルギーを生成する光学エネルギー源(22)と、変えられた光学エネルギーの非ホログラフィック画像を形成する光学撮像手段(32)とを有し、該光学撮像手段(32)により検出された光の時間積分の大きさが、空間的な強度変化を有する画像となるよう、そして該光学像のある点における強度が対象物の対応する点の基準位置からの距離と関連するよう、該音響エネルギー源は、パルス状に駆動される。 An acousto-optic imaging system (18) for forming an image of an object, an acousto-energy source for illuminating the object and an acousto-optic image receiving scattered acoustic energy from the object. A scattered acoustic energy (37) forms an acoustic image in the acousto-optic image forming plate (10), and the scattered acoustic energy (37) is changed by the acousto-optic image forming plate caused by receiving the acoustic energy (37). An optical energy source (22) for generating optical energy whose energy characteristics are changed, and an optical imaging means (32) for forming a non-holographic image of the changed optical energy; ) So that the magnitude of the time integral of the light detected by the optical image is an image having a spatial intensity change, and at a point of the optical image As the degree is related to the distance from the reference position of the corresponding point of the object, the acoustic energy source is driven in pulses.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 本発明は、音響画像形成システムの分野に関し、特に、3次元音響画像形成シ
ステムの分野に関する。
The present invention relates to the field of acoustic image forming systems, and particularly to the field of three-dimensional acoustic image forming systems.

【0002】 音響画像形成は非常に発達した技術分野であり、医療画像、非破壊検査および
水面下での撮像の分野で主として利用されている。一般に、音響画像は、画像化
する対象物の方向に音響エネルギーのビームを送出し、例えば音響検知素子の位
相アレイのような指向性を有するアンテナによってそれを受信することにより形
成される。従って、一般に、3次元の物体を走査するためには、ビームを2つの
交差するディメンジョン(dimensions)において走査する必要がある。
[0002] Acoustic imaging is a very developed technical field and is mainly used in the fields of medical imaging, non-destructive testing and underwater imaging. In general, an acoustic image is formed by transmitting a beam of acoustic energy in the direction of an object to be imaged and receiving it by a directional antenna, such as a phased array of acoustic sensing elements. Thus, in general, scanning a three-dimensional object requires that the beam be scanned in two intersecting dimensions.

【0003】 いくつかのシステムは、多数の素子からなる位相アレイと、広範囲に渡るビー
ムの送出と多方向受信アンテナを使う。多数の回路から出力される、個々の素子
によって受信された音響エネルギーの和に基づいて、そして、それぞれの和が異
なるアンテナの受信方向に対応しているため、システムは単一の送信ビームから
多数の受信ビームを得ることができる。しかしながら、3次元の画像を形成する
ためには、送信ビームかアンテナのビーム受信方向(一般には双方)が2次元ま
たは3次元走査されなければならない。
[0003] Some systems use a phased array of many elements and a wide range of beam delivery and multi-directional receive antennas. Based on the sum of the acoustic energies received by the individual elements, output from multiple circuits, and because each sum corresponds to a different antenna receive direction, the system can perform multiple outputs from a single transmit beam. Can be obtained. However, in order to form a three-dimensional image, the transmitting beam or the beam receiving direction (generally both) of the antenna must be scanned two-dimensionally or three-dimensionally.

【0004】 厳密には、送信ビームおよび/または受信アンテナを特定の、一般には様々な
、距離にフォーカスさせる必要はないが、画質を向上させ、反射およびオフアン
グルの反射の影響を減らすためにそうなっている場合がある。
[0004] Strictly speaking, it is not necessary to focus the transmit beam and / or the receive antenna at a specific, generally varying, distance, but to improve image quality and reduce the effects of reflections and off-angle reflections. It may be.

【0005】 さらに、もしも少なからぬ数のビームが必要な場合、複数のビームを受信する
システムは非常に高価である。
[0005] Furthermore, if a significant number of beams are required, a system that receives multiple beams is very expensive.

【0006】 従って、一般に、音響3次元画像形成システムは遅く、そして/または低解像
度であり、これに対し、比較的短時間に多数の音波を各画像を形成するために送
信したいという要求がある。
[0006] Thus, acoustic three-dimensional imaging systems are generally slow and / or low resolution, whereas there is a need to transmit a large number of sound waves in a relatively short time to form each image. .

【0007】 各画像について、音響エネルギーの単一の広いビームを用いて音響画像を形成
するシステムが知られている。その開示内容はここに参照して組み込む、米国特
許第4,393,712号に記載されているシステムにおいては、音響レンズを用いて、 音響エネルギーを音響光学変換器上にフォーカスさせ光学像を観察する。この特
許の従来技術の背景の部分では、様々な音響光学画像形成装置が開示され参照さ
れている。しかしながら、深度を決定する方法については知られていないため、
これらのシステムは広く実用化されるには至らなかった。
[0007] For each image, systems are known that form an acoustic image using a single broad beam of acoustic energy. In the system described in U.S. Pat. No. 4,393,712, the disclosure of which is incorporated herein by reference, an acoustic lens is used to focus acoustic energy on an acousto-optic transducer and observe an optical image. In the background section of this patent, various acousto-optic imaging devices are disclosed and referenced. However, there is no known way to determine depth,
These systems have not been widely implemented.

【0008】 ここに参照することによりその開示内容を組み入れる、米国特許第4,338,821 号には、音響エネルギーを光学画像に変換する液晶(LC)画像形成板を用いて
、光学的ホログラフィック画像を生成する音響光学画像形成システムが記載され
ている。
[0008] US Pat. No. 4,338,821, incorporated herein by reference, produces an optical holographic image using a liquid crystal (LC) imaging plate that converts acoustic energy into an optical image. An acousto-optic imaging system is described.

【0009】 ここに参照することによりその開示内容を組み入れる、米国特許第4,379,408 号には、LC装置を用いて音波から光学画像形成を行うシステムが記載されてい
る。送出および反射される音波の視覚化について記載されている。
US Pat. No. 4,379,408, which is incorporated herein by reference, describes a system for optical imaging from acoustic waves using an LC device. Visualization of transmitted and reflected sound waves is described.

【0010】 ここに参照することによりその開示内容を組み入れる、PCT公報、WO97/011
11、WO97/01112、WO97/01113には、対象物への光照射をオンオフした時の該対象
物からの反射光に基づいて、光学画像全体における対象物の深度を決定するシス
テムが記載されている。これらの特許出願に記載されている方法の一つは、反射
光をゲーティング(gating)することにより形成される画像の輝度に基づいて深
度を決定する方法である。
[0010] PCT publication, WO 97/011, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
11, WO97 / 01112, WO97 / 01113 describe a system that determines the depth of an object in the entire optical image based on reflected light from the object when light irradiation on the object is turned on and off. I have. One of the methods described in these patent applications is a method of determining the depth based on the luminance of an image formed by gating the reflected light.

【0011】 「双安定液晶セルの超音波スィッチング」W. HamidzadaおよびS.V. Letcher (
Appl. Phys. Lett. 42(9) 1983年5月、第785-786頁)には、バイアスを制御して 、閾値を越える音響エネルギーによりセルの偏光状態を変更させる、LCセルへ
のバイアスについて記載されている。
"Ultrasonic switching of bistable liquid crystal cells" W. Hamidzada and SV Letcher (
Appl. Phys. Lett. 42 (9) May 1983, pp. 785-786) describes a bias for an LC cell that controls the bias and changes the polarization state of the cell by acoustic energy exceeding a threshold. Has been described.

【0012】 ここに参照することによりその開示内容を組み入れる、米国特許第3,837,423 号、第3,406,550号、第4,652,086号、そして「新液晶音響-光学ディスプレイ」P
. Greuguss (ACOUSTICA, v. 29, 1972年、第52-58頁)には、様々な種類の、音波
から光学画像への変換に適したLCセルと、そのようなセルを用いた画像形成の
様々な方法論が記載されている。「ネマチック液晶の超音波相互作用に関する新
仮説」J.L. DionおよびA.D. Jacob (Appl. Phys. Lett. 31(8), 1997年10月15日
、第490-493頁)および「ネマチック液晶における音響光学効果」S. Nagai, A. P
etersおよびS. Candau (Revuew de Physique Appliquee, vol 12, 1977年、第21
頁)には、音響場とLC間での相互作用の理論が記載されている。これらの論文 についても、ここに参照することによりその開示内容を組み入れる。
[0012] US Patent Nos. 3,837,423, 3,406,550, 4,652,086, and "New Liquid Crystal Acousto-Optical Display" P, the disclosures of which are incorporated herein by reference.
Greuguss (ACOUSTICA, v. 29, 1972, pp. 52-58) describes various types of LC cells suitable for the conversion of sound waves into optical images and the use of such cells for imaging. Various methodologies have been described. "A New Hypothesis on Ultrasonic Interactions in Nematic Liquid Crystals", JL Dion and AD Jacob (Appl. Phys. Lett. 31 (8), October 15, 1997, pp. 490-493) and "Acoustic-Optical Effects in Nematic Liquid Crystals". S. Nagai, A. P
eters and S. Candau (Revuew de Physique Appliquee, vol 12, 1977, 21
P.) Describes the theory of interaction between the acoustic field and the LC. The disclosures of these articles are also incorporated herein by reference.

【0013】 本発明のいくつかの態様の目的は、対象物からの散乱した音響エネルギーを3
次元画像に変換する手段と方法とを提供することである。
It is an object of some aspects of the present invention to reduce scattered acoustic energy from an object by three.
It is to provide a means and a method for converting to a two-dimensional image.

【0014】 本発明のいくつかの好適な実施例においては、単一パルスの照射(illuminati
ng)音響ビームを用いることにより、対象物の表面の画像が形成される。あるい
は、そのようなビームを連続して送出する事により、より高い解像度を実現する
ことができる。
In some preferred embodiments of the present invention, a single pulse of illumination (illuminati
ng) By using an acoustic beam, an image of the surface of the object is formed. Alternatively, higher resolution can be realized by continuously transmitting such a beam.

【0015】 本発明のいくつかの好適な実施例においては、複数の照射音響ビームを用いて
、様々な距離における対象物の「スライス」を順次見ることにより、対象物の内
部構造を見ることもできる。
In some preferred embodiments of the present invention, the internal structure of the object may also be viewed by sequentially viewing “slices” of the object at various distances using multiple illuminating acoustic beams. it can.

【0016】 本発明の好適な実施例においては、対象物に音響ビームが照射(illuminate)
され、対象物から音響エネルギーが反射されて、従来技術の項目で説明したバイ
アスLC板のような音響光学変換器(AOC: Acousto-optic converter)へ向かう
。照射音響ビームは、パルス状であることが好ましい。対象物のいろいろな部位
で反射した音響ビームの先端は、照射し反射されたビームが進んだ距離の総和に
ほぼ比例したタイミングで変換器に到達する。なお、音響光学変換器(AOC)と してはLC板が好ましいが、本発明においては、別の態様のものを用いることも
可能である。
In a preferred embodiment of the invention, the object is illuminated with an acoustic beam.
The acoustic energy is reflected from the object and travels to an acousto-optic converter (AOC) such as a bias LC plate described in the section of the prior art. Preferably, the illuminating acoustic beam is pulsed. The tip of the acoustic beam reflected from various parts of the object reaches the transducer at a timing substantially proportional to the total distance traveled by the illuminated and reflected beam. The acousto-optic converter (AOC) is preferably an LC plate, but in the present invention, another type can be used.

【0017】 AOC板は照射パルスと時間的な所定の関係でオン・オフ制御(gated on and of
f)されることが好ましい。AOC板はゲートオンの場合、イルミネート(illumina
te)されている変換器の一部を駆動(turn on)させるのに十分な音響エネルギ ーを受けている時に、センサ位置で光を発生させる。従って、もしもAOCが時刻t
0からt1までゲートされて音響ビームが変換器の一部に時刻t2(時刻t0とt1の間 )に到達する場合、該変換器の一部に関連した、積分された画像の輝度はt1-t2 に比例する。このように、音響光学変換器から検出された光学エネルギーの輝度
はゲート時間に比例し、変換器を駆動するに十分なエネルギーを有する反射波が
変換器に届く。この結果得られた画像のある部分の輝度は、従って、画像の特定
の部分に関連した変換器の一部において画像化された、対象物の対応する部分の
、参照部からの距離を示す。
The AOC plate is gated on and of controlled in a predetermined relationship with the irradiation pulse and time.
f) is preferred. The AOC board is illuminated (illumina
te) Generate light at the sensor location when receiving sufficient acoustic energy to turn on a portion of the transducer being turned on. Therefore, if AOC is at time t
If the sound beam arrives at part of the transducer at time t2 (between times t0 and t1), gated from 0 to t1, the intensity of the integrated image associated with the part of the transducer is t1- It is proportional to t2. Thus, the brightness of the optical energy detected from the acousto-optic converter is proportional to the gate time, and a reflected wave having sufficient energy to drive the converter reaches the converter. The resulting luminance of a portion of the image thus indicates the distance of the corresponding portion of the object from the reference, imaged in the portion of the transducer associated with the particular portion of the image.

【0018】 一般に、本発明のいくつかの実施例については、音響エネルギーが閾値を越え
ると変換器の状態がスィッチされ、エネルギーが閾値を越えている間はスイッチ
された状態が続くので、上述の本発明の実施例は対象物の外表面を示すことにな
る。
In general, for some embodiments of the present invention, as described above, the state of the transducer is switched when the acoustic energy exceeds the threshold and remains switched while the energy is above the threshold. Embodiments of the present invention will show the outer surface of the object.

【0019】 本発明の別の好適な実施例においては、対象物のスライス画像が順次獲得され
る。本発明のこの実施例においては、イルミネーションエネルギーは、それによ
る反射の長さが、与えられた対象物のスライス内に収まるよう、十分に短時間の
ものにされる。スライス内の波の部分からの反射波が到着すると予想される時刻
の前後は、セルはゲートオフ(gated off)される。このゲーティングとパルス の到着時刻との組み合わせが、上記と同様に、スライス内の構成の位置の測定に
用いられる。
In another preferred embodiment of the present invention, slice images of the object are acquired sequentially. In this embodiment of the invention, the illumination energy is short enough so that the length of its reflection falls within a given slice of the object. The cell is gated off around the time when the reflected wave from the wave portion in the slice is expected to arrive. The combination of this gating and the arrival time of the pulse is used to measure the position of the configuration in the slice, as described above.

【0020】 発明の一つの変形例では、画像をCCDカメラを用いて観察する。カラーCC
Dカメラを用いれば、異なるタイミングでゲートされる複数の光源を用いて、単
一パルスの音響照射により対象物の間隔のあいた複数のスライスを連続的に獲得
することができる。スライスのそれぞれは、異なる色の光源と(これに伴い)C
CDのRGBチャンネルの一つとを用いて取得する。一般に、AOCは、前のスラ イスがAOCの状態に与える影響を除去するために、スライス間でリセットされる 。これにより、対象物に関する完全な3次元の情報を3分の1の時間で獲得する
ことが可能となる。また、これによって、心臓のように動いている対象物の画像
を、リアルタイムで、そして比較的高いフレームレートかつ高解像度で形成する
ことも可能になる。
In one variant of the invention, the images are observed using a CCD camera. Color CC
Using a D camera, a plurality of light sources that are gated at different timings can be used to continuously acquire a plurality of spaced slices of an object by acoustic irradiation with a single pulse. Each of the slices has a different color light source and (with it) C
Acquired using one of the RGB channels of the CD. Generally, the AOC is reset between slices to eliminate the effect of the previous slice on the state of the AOC. This makes it possible to obtain complete three-dimensional information on the object in one third of the time. It also allows images of moving objects, such as the heart, to be formed in real time and at a relatively high frame rate and high resolution.

【0021】 別の変形例においては、多パルス照射の間で音響的閾値が変化して、音響イン
ピーダンスの変化を抑えるシステム感度が変化する。これにより、音響的に異な
る対象物間の区別が可能になる。
In another variation, the acoustic threshold changes during multi-pulse irradiation, changing the system sensitivity that suppresses changes in acoustic impedance. This makes it possible to distinguish between acoustically different objects.

【0022】 従って、本発明の好適な実施例によれば、対象物の画像を形成するための音響
光学画像形成システムは、 (a)対象物を照射する音響エネルギー源と、 (b)該対象物からの散乱音響エネルギーを受け取る音響光学画像形成板とを
有し、前記散乱音響エネルギーは該音響光学画像形成板において音響画像を形成
し、 (c)該音響光学画像形成板が音響エネルギーを受けることによる生ずる変化
によってそのエネルギーの特性(たとえば偏光特性や大きさ)が変えられる光学
エネルギー源と、そして (d)変えられた光学エネルギーの非ホログラフィック画像を形成する光学撮
像手段と、を有し、 該光学撮像手段により検出された光の時間積分の大きさが、空間的な強度変化
を有する画像となるよう、そして該光学像のある点における強度が対象物の対応
する点の基準位置からの距離と関連するよう、音響エネルギー源がパルス状に出
力される。
Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, an acousto-optic imaging system for forming an image of an object comprises: (a) an acoustic energy source for illuminating the object; An acousto-optic imaging plate for receiving scattered acoustic energy from an object, wherein the scattered acoustic energy forms an acoustic image at the acousto-optic imaging plate; and (c) the acousto-optic imaging plate receives the acoustic energy. And (d) an optical imaging means for forming a non-holographic image of the changed optical energy. The magnitude of the time integral of the light detected by the optical imaging means becomes an image having a spatial intensity change, and a point on the optical image As the definitive intensity associated with the distance from the reference position of the corresponding point of the object, the acoustic energy source is output in pulses.

【0023】 好ましくは、音響エネルギー源は対象物を、照射音響エネルギーの伝搬方向に
対して横方向には走査しない。
Preferably, the acoustic energy source does not scan the object transversely to the direction of propagation of the illuminating acoustic energy.

【0024】 本発明の一つの実施例においては、光学画像は対象物の表面の複数の点の画像
である。好ましくは、光学エネルギー源は、該表面により散乱された音響エネル
ギーが音響光学画像形成板に到達した後にのみパルスオフされる。
In one embodiment of the invention, the optical image is an image of a plurality of points on the surface of the object. Preferably, the optical energy source is pulsed off only after the acoustic energy scattered by the surface reaches the acousto-optic imaging plate.

【0025】 本発明の別の好適な実施例によれば、画像は参照位置から対象物のスライス内
の点までの距離を表す。好ましくは、画像形成システムは、前記音響光学画像形
成板の高音響閾値状態と低音響閾値状態とを選択するために作用する電圧を掛け
るための制御システムを有する。好ましくは、前記高音響閾値状態は、前記対象
物の、前記音響光学画像形成板に最も近いスライスの一部で散乱された音響エネ
ルギーの受領時より前の時点で選択され、該状態は前記受領時に前記邸音響閾値
状態に変更されて、前記変更の時点が画像スライスの近い方の距離を規定する。
According to another preferred embodiment of the invention, the image represents a distance from the reference position to a point in the slice of the object. Preferably, the image forming system has a control system for applying a voltage acting to select between a high acoustic threshold state and a low acoustic threshold state of the acousto-optic imaging plate. Preferably, the high acoustic threshold state is selected at a point in time prior to receiving acoustic energy scattered by a portion of the object closest to the acousto-optic imaging plate, wherein the state is the receiving state. Sometimes it is changed to the house sound threshold state, and the time of the change defines the closer distance of the image slice.

【0026】 好ましくは、前記光学エネルギー源は、前記画像スライスの遠い方の距離を規
定するためにパルスオフされる。
Preferably, the optical energy source is pulsed off to define a far distance of the image slice.

【0027】 本発明の好適な実施例においては、前記参照位置は、前記光学エネルギーがパ
ルスオフされた時に受信された散乱波に対応した距離にある。また、好ましくは
、空間的に変化する強度は前記参照位置から音響撮像装置内の点までの距離に比
例している。
In a preferred embodiment of the present invention, the reference position is at a distance corresponding to a scattered wave received when the optical energy is pulsed off. Preferably, the spatially varying intensity is proportional to a distance from the reference position to a point in the acoustic imaging device.

【0028】 本発明の好適な実施例においては、音響光学画像形成板の変化により光学エネ
ルギーの特性が変更される所定時間、音響光学板を光源から光学的にイルミネー
トすることにより、正規化関数にて強度値が補正される。
In a preferred embodiment of the present invention, a normalized function is obtained by optically illuminating the acousto-optic plate from a light source for a predetermined time during which the characteristics of the optical energy are changed by the change of the acousto-optic image forming plate. The intensity value is corrected.

【0029】 本発明の好適な実施例においては、光源は線偏光されており、前記変化の前に
は音響光学板が光学エネルギーに影響を与えず、前記変化の後は偏光が楕円偏光
に変換される。また、好ましくは、撮像装置は光の、光源により生成された光の
偏光とは異なる偏光を有する成分に応答する。
In a preferred embodiment of the invention, the light source is linearly polarized, the acousto-optic plate does not affect the optical energy before said change, and the polarization is converted to elliptically polarized after said change. Is done. Also preferably, the imaging device is responsive to a component of the light having a polarization different from the polarization of the light generated by the light source.

【0030】 本発明の好適な実施例においては、光学撮像装置はCCDカメラを有する。In a preferred embodiment of the present invention, the optical imaging device has a CCD camera.

【0031】 本発明の好適な実施例においては、音響光学画像形成板は双安定デバイスであ
る。
In a preferred embodiment of the invention, the acousto-optic imaging plate is a bistable device.

【0032】 本発明の好適な実施例においては、画像形成板は液晶板を有する。In a preferred embodiment of the present invention, the image forming plate has a liquid crystal plate.

【0033】 本発明の好適な実施例においては、さらに、対象物の画像形成方法が提供され
る。該方法は、 対象物にパルス状の音響エネルギーを照射し、 音響光学画像形成板上で、対象物の第1のスライス内の点で散乱された前記音
響エネルギーの音響画像を形成し、 音響光学画像形成板上で、対象物の少なくとも別の1つのスライス内の点で散
乱された前記音響エネルギーの音響画像を形成し、 パルス状の音響エネルギーから複数の光学画像を形成するため、光学撮像装置
により、前記第1および別の1つの音響画像を別々に検出し、 光学画像の強度が、参照位置から各スライスにおける対応する点の位置までの
距離に関連した空間的に変化する値を有する。
In a preferred embodiment of the present invention, there is further provided an image forming method for an object. The method comprises: irradiating an object with pulsed acoustic energy; forming an acoustic image of the acoustic energy scattered at a point in a first slice of the object on an acousto-optic imaging plate; An optical imaging device for forming an acoustic image of the acoustic energy scattered at a point in at least another one slice of the object on the image forming plate, and forming a plurality of optical images from the pulsed acoustic energy; And separately detecting said first and another acoustic image, wherein the intensity of the optical image has a spatially varying value related to the distance from the reference position to the position of the corresponding point in each slice.

【0034】 好ましくは、上記方法は、異なる色のパルス状の光で音響光学画像形成板を順
次照明し、 それぞれが前記スライスの一つを代表する、前記複数の光学画像を形成するた
め、前記パルス状の異なる色の光を順次検出するというステップを有する。
Preferably, the method comprises sequentially illuminating the acousto-optic imaging plate with pulsed light of different colors to form the plurality of optical images, each representing one of the slices. A step of sequentially detecting light of different colors in pulse form.

【0035】 本発明の好適な実施例においては、音響光学画像形成板は前記散乱エネルギー
に対して感度を有さない第1の状態と、前記散乱エネルギーより変化を受ける第
2の状態とが切り換わるよう構成され、上記方法は、それぞれのスライスからの
散乱エネルギーが初めて画像形成板に到達した時に、音響光学画像形成板を前記
第1の状態から前記第2の状態に切り換えるというステップを有する。
In a preferred embodiment of the present invention, the acousto-optic image forming plate has a first state in which the acousto-optic image forming plate has no sensitivity to the scattered energy and a second state in which the acousto-optical image forming plate is changed by the scattered energy. Alternatively, the method comprises the step of switching the acousto-optic imaging plate from the first state to the second state when the scattered energy from each slice reaches the imaging plate for the first time.

【0036】 好ましくは、上記方法は、それぞれのスライスの最も遠い部分からの散乱エネ
ルギーが画像形成プレート到達するときに光学エネルギー源を消すというステッ
プを有する。
Preferably, the method comprises the step of extinguishing the optical energy source when scattered energy from the farthest part of each slice reaches the imaging plate.

【0037】 本発明の好適な実施例においては、光学撮像装置が、それぞれ異なる色に感度
を持つ複数のカラーチャネルを備え、照明光の色がそれぞれのカラーチャネルの
色に対応している。
In a preferred embodiment of the present invention, the optical imaging device includes a plurality of color channels each having sensitivity to different colors, and the color of the illumination light corresponds to the color of each color channel.

【0038】 好ましくは、形成された画像の光学画像強度が光学撮像装置により検出された
光の時間積分強度に対応している。 本発明の好適な実施例においては、散乱音響エネルギーは対象物により反射さ
れた音響エネルギーである。
Preferably, the optical image intensity of the formed image corresponds to the time integrated intensity of the light detected by the optical imaging device. In a preferred embodiment of the invention, the scattered acoustic energy is the acoustic energy reflected by the object.

【0039】 本発明は、図面を参照した、以下の好適な、そして非限定的な実施例について
の説明によりより明確に理解される。
The present invention will be more clearly understood from the following description of preferred and non-limiting embodiments with reference to the drawings.

【0040】 図1は、特に本発明に適したタイプの音響光学セル10を示す図である。数多
くの様々なタイプの同様のデバイスがあるが、そして、それらの多くが本発明に
おいて使用可能であるが、本発明の好適な実施形態は、分子が通常は水平方向、
すなわちセルの厚み方向に対して直交する方向、を向いている液晶音響光学変換
器について記載する。
FIG. 1 shows an acousto-optic cell 10 of a type particularly suitable for the present invention. Although there are many different types of similar devices, and many of them can be used in the present invention, preferred embodiments of the present invention provide that the molecules are usually in a horizontal orientation,
That is, a liquid crystal acousto-optic converter oriented in a direction perpendicular to the thickness direction of the cell will be described.

【0041】 セル10の液晶材料12の分子の平均的な配列は、好ましくは反射防止膜が形
成されたガラスウインドウ14と音響的に透明な鏡面16との間で、該材料に、
垂直な電場を掛けることにより変更することができる。例えば、上で参照したHa
midzada et al.の論文に記載されているように、そのようなセルは双安定性を有
する。すなわち、分子は、そのエネルギー状態に応じて垂直方向と水平方向のい
ずれをも向く。本発明の好適な実施例においては、通常状態での向きが水平方向
でバイアス状態の向きが垂直方向の、この双安定性を有するデバイスが用いられ
る。セルに入射する音波は、もしも十分に高いエネルギーを有するなら、分子の
軸の向きを水平方向に動かす。なお、このセルに入射する音波は垂直方向の電界
が存在すると、より高いエネルギーを持つ。電界の強さは分子の垂直方向と水平
方向のあいだのエネルギー差を制御し、従って、分子を垂直方向から水平方向に
動かすために必要な音響エネルギーの量を制御する。
The average alignment of the molecules of the liquid crystal material 12 of the cell 10 is preferably between the glass window 14 on which the antireflection film is formed and the acoustically transparent mirror surface 16,
It can be changed by applying a vertical electric field. For example, Ha referenced above
As described in the article by midzada et al., such cells are bistable. That is, molecules are oriented both vertically and horizontally depending on their energy state. In the preferred embodiment of the present invention, a device having this bistability is used in which the normal orientation is horizontal and the bias orientation is vertical. Sound waves incident on the cell, if they have sufficiently high energy, will move the molecular axes horizontally. The sound wave incident on this cell has higher energy when a vertical electric field is present. The strength of the electric field controls the energy difference between the vertical and horizontal direction of the molecule, and thus controls the amount of acoustic energy required to move the molecule from vertical to horizontal.

【0042】 図2(A)および図2(B)は、本発明において有用な、液晶変換器における
分子の方向を決定するための方法と音響光学変換器18を示す図である。図2(
A)においては、図1のセル10に前述の電界が掛けられており、セルには音響
エネルギーは与えられていない。LEDまたはその他の光源22からの光が、レ
ンズ24として概略的に示されるレンズ系により拡大されコリメートされる。コ
リメートされた光は偏光ビームスプリッタ26に入射する。ビームスプリッタ2
6は所定の偏光方向の光束28を透過させてセル10に向かわせ、直交する偏光
方向の光を反射させて吸収体30に向かわせ、この光はここで吸収される。これ
に代えてあるいはこれに加えて、LEDから射出された光も偏光しているか、あ
るいは偏光器21が光源とビームスプリッタ26との間に置かれる構成としても
良い。
FIGS. 2A and 2B illustrate a method for determining the orientation of molecules in a liquid crystal transducer and an acousto-optic transducer 18 useful in the present invention. FIG. 2 (
In A), the above-described electric field is applied to the cell 10 of FIG. 1, and no acoustic energy is given to the cell. Light from an LED or other light source 22 is expanded and collimated by a lens system, shown schematically as lens 24. The collimated light enters the polarization beam splitter 26. Beam splitter 2
Numeral 6 transmits a light beam 28 of a predetermined polarization direction to the cell 10 and reflects light of the orthogonal polarization direction to the absorber 30, and this light is absorbed here. Alternatively or additionally, the light emitted from the LED may be polarized, or the polarizer 21 may be disposed between the light source and the beam splitter 26.

【0043】 音響エネルギーが存在しないので、分子は光束28の偏光方向と直交する方向
を向いており、光の偏光状態はセルの存在によっては影響を受けず、光束28の
偏光状態のまま鏡面16で反射される。この光はビームスプリッタ26を、ここ
で反射されることなく、透過する。
Since there is no acoustic energy, the molecules are oriented in a direction orthogonal to the polarization direction of the light beam 28, and the polarization state of the light is not affected by the presence of the cell, and the mirror surface 16 remains in the polarization state of the light beam 28. Is reflected by This light passes through the beam splitter 26 without being reflected here.

【0044】 従って、ビームスプリッタ26での反射光を受光するために載置され、レンズ
34として図示されるレンズ系により合焦された、例えばCCDカメラのような
カメラ32は、この光を受光しない。なお、非励起状態にあるセルに入射する、
あるいは該セルにより反射される光と同じ偏光方向の迷光をブロックするための
偏光器36を任意で設けることができる。
Accordingly, a camera 32, such as a CCD camera, mounted to receive the reflected light from the beam splitter 26 and focused by the lens system shown as the lens 34, does not receive this light. . Note that the light enters the cell in an unexcited state,
Alternatively, a polarizer 36 for blocking stray light having the same polarization direction as the light reflected by the cell can be optionally provided.

【0045】 図2(B)は鏡16を介して下方からセル12に入射する音響エネルギー37
の影響を示す図である。セルの、変換器の閾値より大きい音響エネルギーに曝さ
れた部分は、分子の向きが変換器の水平方向の一つに向けられる。水平方向の一
つとは、一般に、好ましくは、変換器を製造するための製造工程により定まる方
向である。もしも光束28中の光がこの水平方向に対して、ある角度、好ましく
は90度の角度をなす偏光を有しているなら、この光の偏光は、直線偏光から、
光速28の偏光方向と直交する偏光方向を有する成分を含む楕円偏光に変えられ
る。この光成分は次にビームスプリッタ26にて反射され、レンズ34によりカ
メラ32上で合焦される。入ってくる音響エネルギーが、セルの一部に対しての
み閾値を越える範囲では、セルに入射する光束28の一部のみが影響を受け、パ
ターンがカメラ32により画像化される。
FIG. 2B shows acoustic energy 37 incident on the cell 12 from below via the mirror 16.
FIG. Portions of the cell that have been exposed to acoustic energy greater than the transducer threshold have molecules oriented in one of the horizontal directions of the transducer. One of the horizontal directions is generally, preferably, the direction determined by the manufacturing process for manufacturing the transducer. If the light in the beam 28 has a polarization at an angle, preferably 90 degrees, to this horizontal direction, the polarization of this light will be
The light is changed to elliptically polarized light that includes a component having a polarization direction orthogonal to the polarization direction of the light speed 28. This light component is then reflected by the beam splitter 26 and focused by the lens 34 on the camera 32. In the range where the incoming acoustic energy exceeds the threshold for only a portion of the cell, only a portion of the light beam 28 incident on the cell is affected and the pattern is imaged by the camera 32.

【0046】 図3は、体内の器官などの対象物42の画像形成に有用な、本発明の好適な実
施例による音響光学画像形成システム40の概略図である。画像形成システム4
0には、好ましくは、図2(A)および2(B)を参照して説明した音響光学変
換器18が組み込まれ、これには、セル10、光源22、レンズ系24、偏光器
21、ビームスプリッタ26、吸収器30、カメラ32、レンズ系34そして偏
光器36が含まれる。セル10の鏡面16は対象物42側にあり、そこからの音
響エネルギーを受け取る。好ましくは、音響エネルギーは一つあるいはそれ以上
の音響レンズ44によって合焦され、音響レンズは、画像形成システム40が様
々な距離にある対象物に対処できるよう、音響合焦パワーが可変となっており、
および/または、その間隔も可変となっている。このような合焦システムは、例
えば、前に参照した米国特許第4,338,821号や第4,393,712号に記載されている。
なお、そのほかの合焦システムあるいは固定焦点システムも用いることができる
。音響エレメント(すなわち、二つの音響レンズ、観察中の対象物、そしてセル
10)間の空隙は、音響伝達物質で満たされ、様々なエレメントのインピーダン
スを適合させて内部の音響反射を減らすことが好ましい。
FIG. 3 is a schematic diagram of an acousto-optic imaging system 40 useful for imaging an object 42, such as an organ in the body, according to a preferred embodiment of the present invention. Image forming system 4
0 preferably incorporates the acousto-optic transducer 18 described with reference to FIGS. 2A and 2B, including the cell 10, light source 22, lens system 24, polarizer 21, It includes a beam splitter 26, an absorber 30, a camera 32, a lens system 34, and a polarizer 36. The mirror surface 16 of the cell 10 is on the object 42 side and receives acoustic energy therefrom. Preferably, the acoustic energy is focused by one or more acoustic lenses 44, the acoustic lenses having variable acoustic focusing power so that the imaging system 40 can address objects at various distances. Yes,
And / or the interval is also variable. Such focusing systems are described, for example, in previously referenced U.S. Pat. Nos. 4,338,821 and 4,393,712.
Other focusing systems or fixed focus systems can be used. The air gap between the acoustic elements (i.e., the two acoustic lenses, the object under observation, and the cell 10) is preferably filled with a sound transmitting material to adapt the impedance of the various elements to reduce internal acoustic reflection. .

【0047】 音響エネルギー源46は、好ましくはパルス状のエネルギーで対象物をイルミ
ネートする。対象物とそれを取り囲むものとの界面において音響エネルギーが反
射される。そして、反射エネルギーの一部がレンズ44によりセル10上に合焦
される。
The acoustic energy source 46 illuminates the object with preferably pulsed energy. Acoustic energy is reflected at the interface between the object and its surroundings. Then, a part of the reflected energy is focused on the cell 10 by the lens 44.

【0048】 反射され合焦されたエネルギーが、セルのバイアスによって設定された閾値に
到達すると、セルの、照射を受けた部位において、分子の方向が変わり、光源2
2からの光がその部位を透過してカメラ22へ向かう。もしも音響イルミネーシ
ョンがパルス状であれば、閾値に到達するのは、まず、対象物の画像形成システ
ムに近い部分からの反射であり、その後に、画像形成システムから離れた対象物
の部分からの反射となる。まもなく、カメラ32にそれ以上光が到達しないよう
、光源22からの光は消える。音響エネルギーは、光が消えた後、対象物の各点
からのパルスの最後の音響エネルギーの変換器への到達と一致するタイミングで
消される。
When the reflected and focused energy reaches a threshold set by the cell bias, the orientation of the molecules is changed at the irradiated site of the cell and the light source 2
The light from 2 passes through the part and goes to the camera 22. If the acoustic illumination is pulsed, the threshold is first reached from the portion of the object closer to the imaging system and then reflected from the portion of the object further away from the imaging system. Becomes Soon, the light from the light source 22 will be turned off so that no more light reaches the camera 32. The acoustic energy is extinguished after the light is extinguished at a time coincident with the arrival of the last acoustic energy of the pulse from each point of the object to the transducer.

【0049】 CCDカメラが好適な形態である、カメラ32は、カメラにより撮像された画
像の輝度がセルによるエネルギーの受け取りと光源22の消光との間隔に比例す
るように、受光した光を積分する。従って、反射波の強度の変動を補正した後は
、カメラにより生成された、対象物のより近い部分の光学画像は離れている部分
よりも輝度が高くなる。これは、幾分理想化されたタイミング図である図4に示
されている。ここでは、最上段が光源22からの光を示し、2段目が音響源46
により生成された音響イルミネーションを示し、3段目がセル10上の第1位置
にある対象物の近くの部分から受け取った反射エネルギーを示し、最下段がセル
10の第2位置にある対象物の遠くの部分から受け取った反射エネルギーを示す
。下2段のうち光により画像の輝度を上げている部分は、図に斜線を描き込んで
示してある。
The CCD 32 is a preferred form of CCD camera. The camera 32 integrates the received light such that the brightness of the image captured by the camera is proportional to the interval between the receipt of energy by the cell and the extinction of the light source 22. . Therefore, after correcting the variation in the intensity of the reflected wave, the brightness of the optical image of the closer part of the object generated by the camera becomes higher than that of the farther part. This is shown in FIG. 4, which is a somewhat idealized timing diagram. Here, the top row shows the light from the light source 22 and the second row shows the sound source 46.
, The third row shows the reflected energy received from the portion of the cell 10 near the object at the first position, and the bottom row shows the reflected energy of the object at the second position of the cell 10. It shows the reflected energy received from a distant part. The portion of the lower two stages where the brightness of the image is increased by light is shown by diagonal lines in the figure.

【0050】 対象物を取り囲む媒体中の速度をνとし、2つの反射音響波の受信時間の差を
Δtとすると、対象物の2つの領域間の距離はΔt×ν/2となる。システムが
正しく較正されていれば、Δtは輝度の差から求められるので、単一の音響パル
スからCCDカメラにより捕捉された画像は画像形成システムによって見ること
のできる対象物の全ての部分の距離を得るために必要な全ての情報を含んでいる
ことになる。
Assuming that the velocity in the medium surrounding the object is ν and the difference between the reception times of the two reflected acoustic waves is Δt, the distance between the two regions of the object is Δt × ν / 2. If the system is correctly calibrated, the image captured by the CCD camera from a single acoustic pulse will determine the distance of all parts of the object visible by the imaging system, since Δt is determined from the difference in brightness. It contains all the information needed to get it.

【0051】 システムを較正するためには、まず、光源22が消された状態でパルス状の音
響エネルギーが対象物に照射される。次に光源が所定の時間t3の間点灯される
。上記の状況下で撮像された画像の各ピクセルに対して、輝度を時間t3で割っ
たものが、輝度を時間に変換する較正ファクタに対応する。なお、画像の輝度は
(閾値を越えている限り)反射の大きさには依存しないので、較正ファクタは画
像全体に渡って一定、あるいはほぼ一定である。
To calibrate the system, an object is first irradiated with pulsed acoustic energy with the light source 22 turned off. Next, the light source is turned on for a predetermined time t3. For each pixel of the image captured in the above situation, the luminance divided by time t3 corresponds to a calibration factor that converts luminance to time. Note that since the brightness of the image does not depend on the magnitude of the reflection (as long as it exceeds the threshold), the calibration factor is constant or nearly constant over the entire image.

【0052】 (距離情報を含む画像の)画像ピクセルの輝度値は、それぞれのピクセルにつ
いて較正ファクタで割られる。こうして得られる画像の輝度は、参照面から画像
形成システムに向かってのピクセルに対応した対象物の部分の距離に比例する。
参照面とは、光源22が消されたまさにその時に、この面によって反射された音
響エネルギーがセル10に到達するような面のことである。
The luminance values of the image pixels (of the image containing the distance information) are divided by a calibration factor for each pixel. The brightness of the image thus obtained is proportional to the distance of the part of the object corresponding to the pixels from the reference plane towards the image forming system.
The reference surface is the surface at which the acoustic energy reflected by this surface reaches the cell 10 just when the light source 22 is turned off.

【0053】 画像を撮像した後、全ての分子が垂直位置を向くような十分に強い電界がセル
に掛けられ、セルはリセットされる。あるいは、複数の画像が長い間隔をあけて
撮像される場合には、2つめの画像はセルが、全ての分子が垂直になるような、
新たな均衡状態に達した後で撮像される。上述の好適な実施例においては、処理
が行われている間セルには電界が掛けられている。
After capturing the image, a sufficiently strong electric field is applied to the cell so that all molecules are oriented vertically and the cell is reset. Alternatively, if multiple images are taken at long intervals, the second image is a cell in which all molecules are vertical,
It is imaged after reaching a new equilibrium. In the preferred embodiment described above, an electric field is applied to the cell while processing is taking place.

【0054】 上述の、本発明の好適な実施例においては、光源により生成される光学的な光
は、対象物の表面だけ(そして参照面に対する位置)が画像化されるようになっ
ている。本発明の第2の好適な実施形態においては、対象物の内部構造を決定す
ることができる。
In the preferred embodiment of the invention described above, the optical light generated by the light source is such that only the surface of the object (and its position relative to the reference plane) is imaged. In a second preferred embodiment of the present invention, the internal structure of the object can be determined.

【0055】 そのような対象物48の一例を図5に示す。この対象物は第1のインピーダン
スを有する包囲物中に位置し、第2のインピーダンスを有する外殻と第3のイン
ピーダンスを有する内芯(コア)とを有する。照射(illumination)波が様々な
物質の境界に入射すると、音響エネルギーが画像形成システムに向かって反射さ
れる。しかしながら、上述のタイミングで、対象物の外表面で反射された波が分
子を回転させ、このためにコアからの反射に対して感度を持たなくなる。この障
害を解決する一つの方法は、セル10上の閾値を変化させて対象物を撮像するこ
とである。もしもコアと外殻とのインピーダンス不整合が十分に大きいと(ただ
し高すぎない)、外殻からの反射がセルを作動させず、一方、内表面からの反射
はセルを作動させる。このことから、外殻と内芯との界面を画像化することが可
能になる。しかしながら、もしもインピーダンスの違いがそれほど大きくない場
合には、内側の物質を画像化することはあまり効果がない。
FIG. 5 shows an example of such an object 48. The object is located in an enclosure having a first impedance and has an outer shell having a second impedance and an inner core having a third impedance. As illumination waves strike the boundaries of various materials, acoustic energy is reflected back toward the imaging system. However, at the above-mentioned timing, waves reflected on the outer surface of the object rotate the molecules, and thus become insensitive to reflection from the core. One method for solving this obstacle is to change the threshold on the cell 10 and image the target. If the impedance mismatch between the core and the shell is large enough (but not too high), reflection from the shell will not activate the cell, while reflection from the inner surface will activate the cell. This makes it possible to image the interface between the outer shell and the inner core. However, if the difference in impedance is not very large, imaging the material inside is not very effective.

【0056】 本発明のさらなる好適な実施例においては、システムが対象物をスライスベー
スで画像形成するよう電界を変化させる。このとき、スライス内において距離を
求めることができる。
In a further preferred embodiment of the present invention, the system varies the electric field to image the object on a slice basis. At this time, the distance can be obtained within the slice.

【0057】 図6は、スライス50の画像を形成する場合のタイミング図を示す。図6の最
上段はセル10に掛けられる垂直電界に対応し、第2段は光源22から発せられ
るパルス状の照明光に対応し、第3段は音響イルミネーションに対応し、第4、
第5および第6段はそれぞれ、対象物48条の位置52、56および54からの
2つの反射成分に対応する。最下段は、位置52(位置54の画像は位置52の
場合と同じ)および56の画像に対応したセル10の分子の向きを示し、特性中
、高いレベルは垂直方向の配列に対応し、低いレベルは水平方向の配列に対応す
る。最上段の特性は、高いレベルが、音響エネルギーが分子を動かすことができ
ず、かつどの水平方向の分子も垂直方向に素早く回転させられるだけの高い値に
閾値を設定する電界に対応している。低いレベルは、音響エネルギーが分子を垂
直方向から水平方向に回転させることのできるレベルに対応している。
FIG. 6 is a timing chart when an image of the slice 50 is formed. 6 corresponds to the vertical electric field applied to the cell 10, the second stage corresponds to pulsed illumination light emitted from the light source 22, the third stage corresponds to acoustic illumination, and the fourth and fourth stages correspond to acoustic illumination.
The fifth and sixth steps correspond to the two reflection components from the positions 52, 56 and 54 of the object 48, respectively. The bottom row shows the orientations of the molecules of the cell 10 corresponding to the images at the positions 52 (the image at the position 54 is the same as the image at the position 52) and 56. In the characteristics, the high level corresponds to the vertical arrangement, The levels correspond to a horizontal arrangement. The top property corresponds to an electric field where the high level sets the threshold to a value high enough that the acoustic energy cannot move the molecules and any horizontal molecules can be quickly rotated vertically. . The lower level corresponds to the level at which the acoustic energy can rotate the molecule from vertical to horizontal.

【0058】 図6において、まず、分子による偏光を垂直方向に切り換え、非常に高い音響
スイッチング閾値を与える高い電界が掛けられる。従って、対象物48の点52
から反射され点58からも反射される音響パルスは方向を切り換えるには十分で
はない。一方、点53や56からの反射のように、遅れて到着する音響パルスは
分子を切り換え、光源22からの光をカメラ32へと反射させる。これらの点の
相対距離は、図4のタイミング図によって得られた画像と同様にして知ることが
できる。
In FIG. 6, first, a high electric field is applied which switches the polarization by the molecules in the vertical direction and gives a very high acoustic switching threshold. Therefore, the point 52 of the object 48
The acoustic pulse reflected from and reflected from point 58 is not sufficient to switch directions. On the other hand, acoustic pulses arriving late, such as reflections from points 53 and 56, switch molecules and reflect light from light source 22 to camera 32. The relative distance between these points can be known in the same manner as the image obtained by the timing chart of FIG.

【0059】 スライス、好ましくは、部分的に重なったスライスが、対象物の3次元の画像
を生成するため順次撮影される。
Slices, preferably partially overlapping slices, are sequentially captured to generate a three-dimensional image of the object.

【0060】 音響ビームの方向において界面を識別する能力は、音響パルスの期間により制
限されることに留意されたい。すなわち、もしも2つの対象物が、パルスがその
間を進む時間に比べて非常に近接している場合、この2つの対象物を区別するこ
とはできず、近い方の界面が遠い方を完全にマスクしてしまう。この問題の影響
を減らすため、本発明の好適な実施例においては、一連のオーバーラップするス
ライスが取得される。閾値レベルが、セルが対象物内の複数の反射によっても切
り換えられることのないよう、十分に高い値に設定されていることが好ましい。
Note that the ability to identify an interface in the direction of the acoustic beam is limited by the duration of the acoustic pulse. That is, if two objects are very close compared to the time the pulse travels between them, the two objects cannot be distinguished and the closer interface completely masks the farther one. Resulting in. To reduce the effects of this problem, in a preferred embodiment of the present invention, a series of overlapping slices is obtained. Preferably, the threshold level is set high enough so that the cell is not switched by multiple reflections within the object.

【0061】 上述の画像形成の構成は、単一パルスの音響イルミネーションによる画像形成
システムに面した対象物の表面全体の撮影も、単一パルスの音響イルミネーショ
ンによる対象物内の単一のスライスの撮影も考慮に入れている。本発明のさらな
る好適な実施例においては、複数の、間隔の空いたスライスを一つのパルスで取
得することができる。本発明のこの実施例においては、カメラ32はカラーCC
Dカメラであり、光源22はCCDカメラの3つのチャネル、たとえばRGBの
感度に対応した複数のカラー光源を備えている。この方法は、システムの効率を
3倍にすると共に、対象物全体を撮像するのに必要な時間を3分の1に減少させ
る。
[0061] The above-described image forming configuration includes a single pulse acoustic illumination for photographing the entire surface of the object facing the image forming system, and a single pulse acoustic illumination for photographing a single slice in the object. Is also taken into account. In a further preferred embodiment of the invention, a plurality of spaced apart slices can be acquired in one pulse. In this embodiment of the invention, camera 32 is a color CC.
The light source 22 includes three channels of a CCD camera, for example, a plurality of color light sources corresponding to RGB sensitivities. This method triples the efficiency of the system and reduces the time required to image the entire object by a factor of three.

【0062】 第1のスライスが、赤(R)の光源と赤のCCDチャネルを用いて撮像される
。システムは、電界を高い方のレベルに上げることによりリセットされ、同じ音
響パルスと緑(G)の光源および緑のCCDチャネルを用いて、第2のスライス
が撮像される。システムは再度リセットされ、青(B)の光源とチャネルも用い
て第3のスライスが撮像される。第2のパルス(そしてもし必要なら第3のパル
ス、それに続くパルス)を用いて、第1のパルスを用いて撮像されたスライス間
で、間隔をあけてスライスが撮像される。
A first slice is imaged using a red (R) light source and a red CCD channel. The system is reset by raising the electric field to a higher level, and a second slice is imaged using the same acoustic pulse and a green (G) light source and a green CCD channel. The system is reset again and a third slice is imaged using the blue (B) light source and channel as well. Slices are imaged at intervals between slices imaged using the first pulse using a second pulse (and a third pulse, if necessary, followed by a pulse).

【0063】 本発明の実用例として、人体内の対象物の画像の形成について考える。体内で
の音速は、ν=1500 m/sec. のオーダーである。典型的なLC緩和時間、τはお
よそ10 マイクロ秒である。厚み10 cm の対象物を、5 mm 厚のスライスを用いて
スライス化して検査する場合、20個のスライスが必要である。システムの解像度
がスライスの厚みより良好であることに注意されたい。
As a practical example of the present invention, consider the formation of an image of an object in a human body. The speed of sound in the body is on the order of ν = 1500 m / sec. A typical LC relaxation time, τ, is approximately 10 microseconds. If a 10 cm thick object is sliced and examined using a 5 mm thick slice, 20 slices are required. Note that the resolution of the system is better than the slice thickness.

【0064】 この厚みのスライスの画像を形成するためには、音響パルス幅は厚みを速度で
割ったもの、すなわち3.3 マイクロ秒の長さでなければならない。上述のRGB撮 像手順を用いれば、1つの音響パルス当たり3つのスライスを撮像することがで
きる。LC板の緩和時間が有限であるため、スライスは少なくともντ、すなわ
ち15 mmの距離だけ離れていなければならない。すなわち、同一の音響パルスを 用いて5枚ごとのスライスの画像を形成することができる。しかしながら、一般
にはパルスはある程度大きな間隔があいていること、すなわち、例えば、8枚ご
とのスライスの画像を形成するといったようになっていることが望ましい。従っ
て、第1の音響パルスにより、1番目、8番目、15番目のスライスの画像を形
成し、第2の音響パルスにより2番目、9番目、16番目のスライス、等々とな
る。したがって、7番目の音響パルス(そして7つの三重スライス撮像(triple
slice acquisitions))が全体の対象物の画像を形成するために必要となる。 画像と対象物との距離を10 cmと仮定すると、音響パルスからの最後の反射は撮 像装置に受け止められる前に30 cm進む。従って、パルスは少なくとも3/ν秒、 つまり2 msec離れている。別の束縛は、CCDカメラのフィールドあるいはフレ
ーム間の時間である。通常のカメラについては、フィールド間の時間は、16.6 m
secであるので、そのようなシステムを用いた最大音響パルスレートは1秒当た り60パルスとなる。これは、対象物の撮像を117 msecで行うこと(1秒当たり8.
5個の対象物)を意味する。しかしもしも高速CCDカメラが用いられる場合に は、より高いフレーム率が使用され、対象物全体の撮像時間が基本的には14 mse
cまで短縮され、対象物撮像レートは、およそ70対象物/秒となる。複反射や人 物の他の部分での反射の影響を減らすためには、遅いレートが用いられる。しか
しながら、たとえ遅いレートであっても、心臓などの体内の運動する部分のリア
ルタイムの画像形成を高解像度で行うことが可能である。
To form an image of a slice of this thickness, the acoustic pulse width must be the thickness divided by the speed, ie, 3.3 microseconds in length. Using the above-described RGB imaging procedure, three slices can be imaged per acoustic pulse. Due to the finite relaxation time of the LC plate, the slices must be separated by at least ντ, ie a distance of 15 mm. That is, it is possible to form an image of every five slices using the same acoustic pulse. However, in general, it is desirable that the pulses have a relatively large interval, that is, for example, that an image of every eight slices is formed. Therefore, the first, eighth, and fifteenth slice images are formed by the first acoustic pulse, and the second, ninth, and sixteenth slices are formed by the second acoustic pulse. Therefore, the seventh acoustic pulse (and seven triple slice imaging (triple
slice acquisitions) are required to form an image of the entire object. Assuming a distance of 10 cm between the image and the object, the last reflection from the acoustic pulse travels 30 cm before being received by the imaging device. Thus, the pulses are at least 3 / ν seconds, or 2 msec apart. Another constraint is the time between fields or frames of the CCD camera. For a regular camera, the time between fields is 16.6 m
sec, the maximum acoustic pulse rate using such a system is 60 pulses per second. This is done by imaging the object in 117 msec (8.
5 objects). However, if a high-speed CCD camera is used, a higher frame rate is used, and the imaging time of the entire object is basically 14 ms.
c, and the object imaging rate is about 70 objects / sec. Slow rates are used to reduce the effects of double reflections and reflections from other parts of the body. However, even at slow rates, real-time imaging of moving parts of the body, such as the heart, can be performed at high resolution.

【0065】 本発明は、画像形成する対象物をイルミネートするための環状の音響エネルギ
ー源を用いて説明されている。これは、画像形成される対象物の面が画像形成シ
ステムに対して平行なので、望ましいことである。しかし、音響源は画像形成シ
ステムの脇に置かれることもあり、軸が画像形成システムと平行か小さい角度を
なしている場合もある。さらに、本発明の好適な実施例においては双安定のAOC (LC)が用いられているが、分子の方向を回転されたままにしておくための、ア
ナログLCのような連続的な音響エネルギーを必要とするシステムを使ってもよ
い。システムは画像形成のためにCCDをカメラをもつものとして説明されてい
るが、本発明の別の好適な実施例のように、フィルムやCID装置などのその他
の画像形成装置を使用するものでも良い。
The present invention has been described using an annular acoustic energy source for illuminating an object to be imaged. This is desirable because the plane of the object being imaged is parallel to the imaging system. However, the sound source may be located beside the imaging system and the axis may be parallel or at a small angle to the imaging system. Further, while the preferred embodiment of the present invention employs bistable AOC (LC), continuous acoustic energy, such as analog LC, is used to keep the orientation of the molecule rotated. You may use the system you need. Although the system is described as having a CCD for imaging, the system may use other imaging devices, such as film or CID devices, as in another preferred embodiment of the present invention. .

【0066】 ここに述べた構成および方法は、様々な好適な実施例に基づいて、いろいろ組
み合わせることが可能である。さらに、本発明の好適な実施例におけるいくつか
の構成は、別の好適な実施例に従って割愛することもできる。クレームの範疇に
ある本発明の好適な実施例の、これ以外の様々な変形も、当業者が想到すること
のできるものである。本発明の好適な実施例は単なる例証であり、クレームに規
定された発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい
The configurations and methods described herein can be combined in various ways based on various preferred embodiments. Further, some features of the preferred embodiment of the present invention may be omitted in accordance with another preferred embodiment. Various other modifications of the preferred embodiments of the invention, which fall within the scope of the claims, will occur to those skilled in the art. It is to be understood that the preferred embodiments of the present invention are illustrative only and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、本発明の好適な実施例において有用な液晶音響光学変換
器の動作を概略的に示す図である。
FIG. 1 schematically illustrates the operation of a liquid crystal acousto-optic converter useful in a preferred embodiment of the present invention.

【図2】 図2(A)および(B)は、本発明の好適な実施例に基づく液晶
音響光学変換器により反射される光の、音波による影響を示す図である。
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating the influence of sound waves on light reflected by a liquid crystal acousto-optic transducer according to a preferred embodiment of the present invention.

【図3】 図3は、本発明の好適な実施例による音響光学画像形成システム
の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of an acousto-optic imaging system according to a preferred embodiment of the present invention.

【図4】 図4は、本発明の第1の好適な実施例による音響光学画像形成シ
ステムのタイミング図である。
FIG. 4 is a timing diagram of an acousto-optic imaging system according to a first preferred embodiment of the present invention.

【図5】 図5は、本発明の好適な実施例のいくつかを用いて画像形成が行
われる対処物を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an object in which an image is formed using some of the preferred embodiments of the present invention.

【図6】 図6は、図5に示すような2つのスライスの画像を形成するため
の、本発明の好適な別の実施例による音響光学画像形成システムのタイミング図
である。
FIG. 6 is a timing diagram of an acousto-optic imaging system for forming an image of two slices as shown in FIG. 5, according to another preferred embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 音響光学セル 14 ガラスウインドウ 16 鏡面 18 音響光学変換器 21 偏光器 22 光源 24 レンズ 26 偏光ビームスプリッタ 30 吸収体 32 カメラ 34 レンズ 36 偏光器 Reference Signs List 10 acousto-optic cell 14 glass window 16 mirror surface 18 acousto-optic converter 21 polarizer 22 light source 24 lens 26 polarizing beam splitter 30 absorber 32 camera 34 lens 36 polarizer

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成12年3月23日(2000.3.23)[Submission date] March 23, 2000 (2000.3.23)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

Claims (25)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (a)対象物をイルミネートする音響エネルギー源と、 (b)該対象物からの散乱音響エネルギーを受け取る音響光学画像形成板とを
有し、前記散乱音響エネルギーは該音響光学画像形成板において音響画像を形成
し、 (c)音響エネルギーを受けることにより生ずる該音響光学画像形成板の変化
によってそのエネルギーの特性が変えられる光学エネルギーを生成する光学エネ
ルギー源と、 (d)変えられた光学エネルギーの非ホログラフィック画像を形成する光学撮
像手段と、を有し、 該光学撮像手段により検出された光の時間積分の大きさが、空間的な強度変化
を有する画像となるよう、そして該光学像のある点における強度が対象物の対応
する点の基準位置からの距離と関連するよう、該音響エネルギー源がパルス状に
駆動される、 対象物の画像を形成する音響光学画像形成システム。
1. An acousto-energy source for illuminating an object, and (b) an acousto-optic image forming plate for receiving scattered acoustic energy from the object, wherein the scattered acoustic energy is an acousto-optic image. (C) an optical energy source for producing an acoustic image on the forming plate, the optical energy source producing an optical energy whose energy characteristics are changed by a change of the acousto-optical image forming plate caused by receiving the acoustic energy; Optical imaging means for forming a non-holographic image of the optical energy, wherein the magnitude of the time integral of the light detected by the optical imaging means is an image having a spatial intensity change, and The acoustic energy source is pulsed such that the intensity at a point in the optical image is related to the distance of the corresponding point of the object from the reference position Acousto-optic imaging system for forming an image of driven, object.
【請求項2】 音響エネルギー源は対象物を、照射音響エネルギーの伝搬方
向に対して横方向には走査しない、請求項1に記載のシステム。
2. The system according to claim 1, wherein the acoustic energy source does not scan the object transversely to the direction of propagation of the illuminating acoustic energy.
【請求項3】 光学画像が対象物の表面の点の画像である、請求項1または
2に記載のシステム。
3. The system according to claim 1, wherein the optical image is an image of a point on the surface of the object.
【請求項4】 光学エネルギー源が、画像化される表面により散乱された音
響エネルギーが音響光学画像形成板に到達した後にのみパルスオフされる、請求
項3に記載のシステム。
4. The system of claim 3, wherein the optical energy source is pulsed off only after the acoustic energy scattered by the surface being imaged reaches the acousto-optic imaging plate.
【請求項5】 前記画像は対象物のスライス内の点の、参照位置からの距離
を表す画像である、請求項1または2に記載のシステム。
5. The system according to claim 1, wherein the image is an image representing a distance of a point in a slice of the object from a reference position.
【請求項6】 さらに、前記音響光学画像形成板の高音響閾値状態と低音響
閾値状態とを選択するために作用する電圧を掛けるための制御システムを有する
、請求項5に記載のシステム。
6. The system according to claim 5, further comprising a control system for applying a voltage acting to select between a high acoustic threshold state and a low acoustic threshold state of the acousto-optic imaging plate.
【請求項7】 前記高音響閾値状態は、前記対象物の、前記音響光学画像形
成板に最も近いスライスの一部で散乱された音響エネルギーの受領時より前の時
点で選択され、該状態は前記受領時に前記低音響閾値状態に変更されて、前記変
更の時点が画像スライスの近い方の距離を規定する、請求項5または6に記載の
システム。
7. The high acoustic threshold state is selected at a point in time prior to receipt of acoustic energy scattered by a portion of the object closest to the acousto-optic imaging plate, the state being: 7. The system of claim 5 or 6, wherein upon receipt, the low acoustic threshold state is changed and the time of the change defines a closer distance of an image slice.
【請求項8】 前記光学エネルギー源は、前記画像スライスの遠い方の距離
を規定するためにパルスオフされる、請求項5−7のいずれかに記載のシステム
8. The system of claim 5, wherein the optical energy source is pulsed off to define a far distance of the image slice.
【請求項9】 前記参照位置は、前記光学エネルギーがパルスオフされた時
に受信された散乱波に対応した距離にある、請求項4または8に記載のシステム
9. The system according to claim 4, wherein the reference position is at a distance corresponding to a scattered wave received when the optical energy is pulsed off.
【請求項10】 空間的に変化する強度は前記参照位置から音響撮像装置内
の点までの距離に比例している、前出の全ての請求項のいずれかに記載のシステ
ム。
10. A system according to any of the preceding claims, wherein the spatially varying intensity is proportional to the distance from the reference position to a point in the acoustic imaging device.
【請求項11】 音響光学画像形成板の変化により光学エネルギーの特性が
変更される所定時間、音響光学板を光源から光学的にイルミネートすることによ
り、正規化関数にて強度値が補正される、前出の全ての請求項のいずれかに記載
のシステム。
11. A light source for optically illuminating an acousto-optic plate from a light source for a predetermined time during which a characteristic of optical energy is changed by a change of an acousto-optic image forming plate, thereby correcting an intensity value by a normalization function. A system according to any of the preceding claims.
【請求項12】 光源は直線偏光されており、前記変化の前には音響光学板
が光学エネルギーに影響を与えず、前記変化の後は偏光が楕円偏光に変換される
、前出の全ての請求項のいずれかに記載のシステム。
12. The light source of claim 1, wherein the light source is linearly polarized, the acousto-optic plate does not affect the optical energy before the change, and the polarization is converted to elliptically polarized light after the change. A system according to any of the preceding claims.
【請求項13】 撮像装置は光の、光源により生成された光の偏光とは異な
る偏光を有する成分に応答する、請求項12に記載のシステム。
13. The system of claim 12, wherein the imaging device is responsive to a component of the light having a polarization different from a polarization of the light generated by the light source.
【請求項14】 光学撮像装置はCCDカメラを有する、前出の請求項のい
ずれかに記載のシステム。
14. The system according to any of the preceding claims, wherein the optical imaging device comprises a CCD camera.
【請求項15】 音響光学画像形成板が双安定デバイスである、前出の全て
の請求項のいずれかに記載のシステム。
15. The system according to any of the preceding claims, wherein the acousto-optic imaging plate is a bistable device.
【請求項16】 画像形成板が液晶板を有する、前出の全ての請求項のいず
れかに記載のシステム。
16. A system according to any of the preceding claims, wherein the imaging plate comprises a liquid crystal plate.
【請求項17】 散乱された音響エネルギーが対象物の複数の点から反射さ
れたエネルギーに対応する、前出の全ての請求項のいずれかに記載のシステム。
17. The system according to any of the preceding claims, wherein the scattered acoustic energy corresponds to energy reflected from a plurality of points on the object.
【請求項18】 対象物にパルス状の音響エネルギーを照射し、 音響光学画像形成板上で、対象物の第1のスライス内の点で散乱された前記音
響エネルギーの音響画像を形成し、 音響光学画像形成板上で、対象物の少なくとも別の1つのスライス内の点で散
乱された前記音響エネルギーの音響画像を形成し、 パルス状の音響エネルギーから複数の光学画像を形成するため、光学撮像装置
により、前記第1および別の1つの音響画像を別々に検出し、 光学画像の強度が、参照位置から各スライスにおける対応する点の位置までの
距離に関連した空間的に変化する値を有する、対象物の画像を形成する方法。
18. Irradiating an object with pulsed acoustic energy to form an acoustic image of the acoustic energy scattered at points in a first slice of the object on an acousto-optic image forming plate; Forming an acoustic image of the acoustic energy scattered at a point in at least another one slice of the object on the optical imaging plate; and forming a plurality of optical images from the pulsed acoustic energy by optical imaging An apparatus for separately detecting the first and another acoustic image, wherein an intensity of the optical image has a spatially varying value related to a distance from a reference position to a position of a corresponding point in each slice. And a method of forming an image of an object.
【請求項19】 異なる色のパルス状の光で音響光学画像形成板を順次照明
し、 それぞれが前記スライスの一つを代表する、前記複数の光学画像を形成するた
め、前記パルス状の異なる色の光を順次検出する、 請求項18に記載の方法。
19. The acousto-optic imaging plate is sequentially illuminated with pulsed light of different colors to form the plurality of optical images, each representing one of the slices, to produce the plurality of optical images. The method according to claim 18, wherein the light is sequentially detected.
【請求項20】 音響光学画像形成板は前記散乱エネルギーに対して感度を
有さない第1の状態と、前記散乱エネルギーにより変化を受ける第2の状態とが
切り換わるよう構成され、 それぞれのスライスからの散乱エネルギーが初めて画像形成板に到達した時に
、音響光学画像形成板を前記第1の状態から前記第2の状態に切り換える、請求
項19の方法。
20. The acousto-optic image forming plate is configured to switch between a first state insensitive to the scattered energy and a second state changed by the scattered energy. 20. The method of claim 19, wherein the acousto-optic imaging plate is switched from the first state to the second state when the scattered energy from the first reaches the imaging plate.
【請求項21】 それぞれのスライスの最も遠い部分からの散乱エネルギー
が画像形成プレートに到達するときに光学エネルギー源を消す、請求項19また
は20に記載の方法。
21. The method according to claim 19, wherein the optical energy source is extinguished when scattered energy from the farthest part of each slice reaches the imaging plate.
【請求項22】 光学撮像装置が、それぞれ異なる色に感度を持つ複数のカ
ラーチャネルを備え、照明光の色がそれぞれのカラーチャネルの色に対応してい
る、請求項19から21のいずれかに記載の方法。
22. The optical imaging device according to claim 19, wherein the optical imaging device includes a plurality of color channels each having sensitivity to a different color, and the color of the illumination light corresponds to the color of each color channel. The described method.
【請求項23】 形成された画像の光学画像強度が光学撮像装置により検出
された光の時間積分強度に対応している、請求項18から23のいずれかに記載
の方法。
23. The method according to claim 18, wherein the optical image intensity of the formed image corresponds to the time integrated intensity of the light detected by the optical imaging device.
【請求項24】 散乱音響エネルギーは対象物により反射された音響エネル
ギーである、請求項18から23のいずれかに記載の方法。
24. The method according to claim 18, wherein the scattered acoustic energy is acoustic energy reflected by the object.
【請求項25】 電気エネルギーの、変更される特性は極性(polarization
)である、請求項24に記載の方法。
25. The property of electrical energy that is altered is polarization.
25. The method of claim 24, wherein
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