JP2003339707A

JP2003339707A - 超音波受信装置

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Publication number: JP2003339707A
Application number: JP2003036037A
Authority: JP
Inventors: Eiji Ogawa; 英二小川
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2003-12-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP4076872B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光検出方式の超音波受信装置において、超音
波の多重反射を抑制し、超音波画像の画質を向上させ
る。【解決手段】受信される超音波に基づいて光を変調す
る超音波検出素子２０と、超音波検出素子に直接又は間
接的に接続され、超音波検出素子によって受信される超
音波を伝搬させるバッキング部であって、光透過性を有
すると共に、超音波の検出に用いられる光を導光するバ
ッキング部１３と、超音波検出素子から出力される光を
検出する光電変換部１５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を受信する
超音波受信装置に関し、さらに、そのような超音波受信
装置を用いて超音波を受信することにより医療診断や非
破壊検査を行うために用いる超音波撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波撮像装置においては、超音
波の送信及び受信を行う素子（振動子）としてＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanat
e）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフ
ッ化ビニリデン：polyvinyl difluoride）等の高分子圧
電素子を含む圧電素子を用いた１次元センサアレイが一
般的に用いられていた。そのような１次元センサアレイ
を機械的に移動させながら、被検体の複数の断面におけ
る２次元画像を取得し、さらに、それらの２次元画像を
合成することにより３次元画像を得ていた。

【０００３】しかしながら、この手法によれば、１次元
センサアレイの移動方向にタイムラグがあるので、異な
る時刻における断面像を合成することになり、合成画像
がぼけたものとなってしまう。そのため、このような手
法は、超音波エコー観察等のように、被写体として生体
を撮像する場合には適していない。

【０００４】超音波を用いて高品位な３次元画像を取得
するためには、センサアレイを移動させることなく２次
元画像を取得できる２次元センサが必要である。しかし
ながら、上記ＰＺＴやＰＶＤＦを用いて２次元センサア
レイを作製する場合には、素子の微細加工と、多数の微
細素子への配線が必要であり、現状以上の微細化と素子
集積は困難である。また、それらが解決されたとして
も、素子間のクロストークが増大したり、微細配線によ
る電気的インピーダンスの上昇によりＳＮ比が劣化した
り、微細素子の電極部が破壊し易くなるといった問題が
あるので、ＰＺＴやＰＶＤＦを用いた２次元センサアレ
イの実現は困難である。

【０００５】一方、受信した超音波信号を光信号に変換
して検出する方式のセンサも知られている。このような
光検出方式の超音波センサとして、ファイバブラッググ
レーティング（ＦＢＧと略称）を用いるもの（非特許文
献１参照）や、ファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略
称）構造を用いるもの（非特許文献２参照）が報告され
ている。このような超音波センサを用いて２次元センサ
アレイを作製すると、多数の微細素子への電気的配線が
不要で、且つ、良好な感度が得られるという利点があ
る。

【０００６】また、２次元の検出面を有する光検出方式
の超音波センサも知られている。非特許文献３には、フ
ァブリーペロー構造を有するポリマー膜を超音波の検出
に用いることが記載されている。このような膜状の超音
波センサは、多数の微細素子に対する加工が不要である
ために、コストを抑制することができる。

【０００７】ところで、このような光検出方式の超音波
センサにおいては、超音波受信面の裏側において超音波
の多重反射が生じてしまうという問題がある。ここで、
超音波の多重反射について、光検出方式による２次元面
センサを例に取って説明する。図１５に示すように、超
音波検出素子１００は、基材１０１及び超音波有感部１
０２を含んでいる。この例において、超音波有感部１０
２は、全反射ミラー１０３、ハーフミラー１０４、及
び、全反射ミラー１０３とハーフミラー１０４との間に
形成されるキャビティ１０５を含むファブリーペロー共
振器構造を有している。キャビティ１０５を形成する部
材は、超音波が印加されることにより幾何学的変位を受
ける。

【０００８】この超音波検出素子１００の受信面１０２
ａに、基材１０１側から光を入射させながら超音波を印
加する。すると、超音波の音圧変化により、キャビティ
１０５の光路長Ｌが受信面１０２ａの位置に応じて変化
し、超音波有感部１０２から反射される光の強度が位置
に応じて変化する。この反射光の強度を超音波の強度に
換算することにより、受信面１０２ａの位置に応じた超
音波の強度を検出することができる。

【０００９】ここで、図１６及び図１７の（ａ）を参照
すると、媒質から伝搬し、被検体に関する情報を含む超
音波は、位置Ａにおいて振動を発生させると共に超音波
検出素子１００の内部に伝搬する（超音波ＵＳ１）。続
いて、超音波ＵＳ１は、受信面１０２ａとは反対側の境
界面（位置Ｂ）によって反射され、その際に、位置Ｂに
おいて振動を発生させ、再び受信面１０２ａ方向に戻っ
てくる（超音波ＵＳ２）。さらに、超音波ＵＳ２は、受
信面１０２ａによって反射され、その際に、位置Ｃにお
いて振動を発生させ、再び受信面１０２ａの裏面に伝搬
する（超音波ＵＳ３）。このように、超音波検出素子１
００においては、伝搬した超音波が減衰するまで反射が
繰り返される。この現象により、図１７の（ｂ）に示す
ように、超音波検出素子１００からは、本来検出すべき
被検体に関する信号（位置Ａにおける検出信号）の他
に、多重反射して生じた信号（位置Ｃや位置Ｅにおける
検出信号）が混入してしまう。

【００１０】このような超音波の多重反射が、超音波画
像におけるＳＮ比を低下させ、画質を悪化させる一因と
なっている。そのため、例えば、超音波の送受信に圧電
素子を用いる超音波受信装置においては、圧電素子にフ
ェライトコア等を含むバッキング材を接続することによ
り、超音波を減衰させている。しかしながら、光検出方
式の超音波受信装置においては、光透過性を考慮しなく
てはならないので、従来と同様のバッキング材を用いる
ことはできない。

【００１１】

【非特許文献１】タカハシ（TAKAHASHI）、他２名、
「ファイバブラッググレーティングを用いた水中音響セ
ンサ（Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg
Grating）」、オプティカルレビュー（OPTICAL REVIE
W）, Vol. 4, No. 6 (1997)，P. 691-694

【非特許文献２】ウノ（UNO）、他１名、「メガヘルツ
超音波領域測定のためのファイバーオプティックマイク
ロプローブの制作と性能（Fabrication and Performanc
e of a Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultra
sonic Field Measurement）」, 電学論（T. IEE Japa
n）, Vol. 118-E, No. 11 (1998), P. 487-492

【非特許文献３】ベアード（Beard）、他２名、「広帯
域な超音波検出のためのファブリーペローポリマーフィ
ルムセンシングコンセプトの処理機構（Transduction M
echanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing
Concept for Wideband Ultrasound Detection）」アイ
・イー・イー・イー会報（IEEE TRANSACTIONS ONULTRAS
ONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL）, VO
L. 46, NO. 6 (NOVEMBER 1999), P.1575-1582

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上記の点に鑑
み、本発明は、光検出方式の超音波受信装置において、
超音波の多重反射を抑制し、超音波画像の画質を向上さ
せることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の第１の観点に係る超音波受信装置は、受信
される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素子
と、該超音波検出素子に直接又は間接的に接続され、該
超音波検出素子に受信される超音波を伝搬させるバッキ
ング部であって、光透過性を有すると共に、超音波の検
出に用いられる光を導光するバッキング部と、超音波検
出素子から出力される光を検出する光電変換部とを具備
する。ここで、上記超音波検出素子は、受信される超音
波に応じて伸縮し、伸縮に応じて光反射率が変動するこ
とにより、入射される光を強度変調する超音波有感部を
含み、上記光電変換部が、該超音波検出素子において強
度変調された光を検出しても良い。

【００１４】本発明の第１の観点によれば、受信した超
音波をバッキング部に伝搬させることにより超音波を減
衰させるので、超音波の多重反射による影響を避けるこ
とができる。また、光透過性を有するバッキング部によ
って検出に用いられる光が導光されるので、超音波検出
素子から出力された光信号の減衰を抑制し、ＳＮ比を低
下させることなく光電変換部に導くことができる。

【００１５】また、本発明の第２の観点に係る超音波受
信装置は、受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮に応
じて光反射率が変動することにより、入射される光を強
度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子と、超音
波検出素子に光を導くと共に、超音波検出素子によって
受信される超音波を伝搬させる光伝送路と、光伝送路に
よって導かれた光を超音波検出素子に対してコリメート
するコリメート部と、超音波検出素子から反射される光
を検出する光電変換部とを具備する。

【００１６】本発明の第２の観点によれば、超音波検出
素子に光を導く光伝送路に受信した超音波を伝搬させる
ことにより、超音波の多重反射による影響を避けること
ができる。また、超音波検出素子と光伝送路とをコリメ
ート部を介して接続するので、超音波検出素子に平行光
を導光できると共に、超音波を光ファイバ等の光伝送路
に伝搬させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の構
成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置
を示す図である。この超音波受信装置は、光源１１と、
分波器１２と、光伝送路１３と、コリメート部１４と、
受信される超音波に基づいて光を変調する超音波検出素
子２０と、光検出器１５と、結像系１６〜１８とを含ん
でいる。

【００１８】光源１１としては、所定の帯域（例えば、
１．５５μｍ）を有するチューナブルＬＤ（レーザダイ
オード）が用いられる。分波器１２は、ハーフミラー、
光サーキュレータ、又は、偏光ビームスプリッター等に
よって構成され、第１の方向から入射した入射光を第２
の方向に反射すると共に、第２の方向から戻ってくる反
射光を第１の方向とは別の第３の方向に通過させる。本
実施形態においては、分波器１２としてハーフミラーを
用いている。ハーフミラーは、入射光を入射方向とほぼ
９０°の角度をなす方向に反射して、入射方向とほぼ９
０°の角度をなす方向から戻ってくる光を透過する。本
実施形態においては、ハーフミラーの前段及び後段に、
結像系１６〜１８としてレンズを設けている。

【００１９】光伝送路１３は、分波器１２を通過した光
を超音波検出素子２０に導く。光伝送路１３としては、
多数の（例えば、１０２４本）光ファイバを束ねたバン
ドルファイバが用いられる。本実施形態において、多数
のファイバは、超音波検出素子の受信面の形状（例え
ば、円状）に合わせて束ねられている。

【００２０】光伝送路１３の先端部は、コリメート部１
４を介して超音波検出素子２０に、光軸を合わせて接続
されている。コリメート部１４は、例えば、コリメート
レンズがアレイ化されたコリメートレンズアレイを含ん
でいる。光伝送路１３及びコリメート部１４の構成につ
いては、後で詳しく説明する。

【００２１】超音波検出素子２０は、伝搬する超音波に
よって歪みを生じる２次元の受信面２０ａと、受信面２
０ａによって受信される超音波に応じて伸縮する超音波
有感部とを有している。この伸縮に応じて超音波有感部
の光反射率が変動するので、光伝送路１３及びコリメー
ト部１４を通って超音波検出素子２０に入射した光は強
度変調を受けて反射される。超音波検出素子２０から反
射された光は、再びコリメート部１４及び光伝送路１３
を通り、分波器１２を通過して複数の画素を有する光検
出器１５に入射する。

【００２２】光検出器１５は、ＰＤＡ（フォトダイオー
ドアレイ）やＭＯＳ型センサ等を含む２次元アレイ光電
変換器である。光検出器１５は、超音波検出素子２０の
対応する位置から分波器１２を介して入射した光を複数
の画素ごとに検出し、それぞれの画素における光強度に
応じた検出信号を出力する。ここで、反射光は、直接あ
るいは光ファイバー等を通して光検出器１５に入射する
ようにしても良いし、分波器１２の後段に結像系１８を
設け、これを介して光検出器１５に結像するようにして
も良い。

【００２３】次に、図２を参照しながら、超音波検出素
子２０の構造及び超音波の検出原理について詳しく説明
する。超音波検出素子２０は、基板２１と、該基板の上
に積層された多層膜２２とを含む多層膜センサである。
この多層膜２２が、ブラッググレーティング構造を構成
し、超音波有感部として働く。

【００２４】基板２１は、超音波を受信することによっ
て歪みを生じる膜状の基板であり、例えば、直径２ｃｍ
程度の円か、それ以上の面積を有している。基板２１に
は、異なる屈折率を有する２種類の材料層を交互に積層
することにより、ブラッググレーティング構造を有する
多層膜２２が形成されている。図２には、屈折率ｎ₁を
有する材料層Ａと、屈折率ｎ₂を有する材料層Ｂとが示
されている。

【００２５】多層膜２２の周期構造のピッチ（間隔）を
ｄとし、入射光の波長をλとすると、ブラッグの反射条
件は次の式で表される。ただし、ｍは任意の整数であ
る。２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ ・・・（１）ここで、θは入射面と入射光とのなす角であり、θ＝π
／２とすると次の式のようになる。２ｄ＝ｍλ ・・・（２）ブラッググレーティングは、ブラッグの反射条件を満た
す特定の波長の光を選択的に反射し、その他の波長の光
を透過させる。

【００２６】超音波検出素子２０に超音波を伝搬させる
と、超音波の伝搬に伴い基板２１が歪み、多層膜２２の
各位置において周期構造のピッチｄが変化する。これに
伴い、選択的に反射される光の波長λが変化する。ブラ
ッググレーティングの反射特性においては、最も光反射
率の高い（透過率の低い）中心波長の前後に光反射率の
変化する傾斜帯域があり、この傾斜帯域の範囲に中心波
長を有する光を多層膜２２に入射させながら基板２１に
超音波を加える。すると、受信面の各位置における超音
波の強さに応じた反射光（又は透過光）の強度変化を観
測できる。この光の強度変化を超音波の強度に換算する
ことにより、超音波の２次元強度分布情報を取得でき
る。ここで、反射特性とは、超音波検出素子２０におけ
る光の波長と反射強度との関係のことをいう。

【００２７】基板２１の材料としては、石英ガラス（Ｓ
ｉＯ₂）やＢＫ７（ショット社の製品）等の光学ガラス
等が用いられる。また、材料層Ａ及びＢに用いられる物
質としては、屈折率が互いに１０％以上異なる物質の組
み合わせが望ましい。これには、例えば、ＳｉＯ₂と酸
化チタン（Ｔｉ₂Ｏ₃）との組み合わせや、ＳｉＯ₂と酸
化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）との組み合わせ等が挙げられ
る。材料層Ａ及びＢは、基板２１上に、真空蒸着やスパ
ッタリング等の方法によって形成される。

【００２８】ところで、超音波の多重反射を抑制するた
めには、超音波が伝搬する距離を長くすることが有効で
ある。超音波は、伝搬する際に少なからず減衰し、その
伝搬距離が長いほど減衰量は大きくなる。そこで、十分
な伝搬距離を取れば、一端に伝搬した超音波が他端にお
いて反射して戻る間に、超音波を十分に減衰させること
ができるからである。このため、本実施形態において
は、光伝送路として光ファイバを用い、受信した超音波
を光ファイバに伝搬させている。即ち、光伝送路に、光
を通過させる機能と共に超音波を減衰させるバッキング
部としての機能を持たせている。

【００２９】図３は、図１に示す光伝送路１３、コリメ
ート部１４、及び、超音波検出素子２０の一部を拡大し
て示す断面図である。図３に示すように、光伝送路（バ
ンドルファイバ）１３に含まれる複数の光ファイバ１３
ａと、コリメート部（コリメートレンズアレイ）１４に
含まれる複数のコリメートレンズ１４ａとは、それぞれ
光軸を合わせて接続され、さらに、超音波検出素子２０
に２次元状に配置されて接続されている。複数の光ファ
イバ１３ａは、接着剤２５を用いて束ねられている。

【００３０】光ファイバ１３ａは、例えば、２ｍ程度の
長さを有するシングルモード又はマルチモードファイバ
であり、樹脂系材料を含む粘度の低い部材（被覆材２３
ａ）で覆われている。光ファイバを伝搬する間に超音波
を減衰させるために、光ファイバを上記の部材で被覆す
ることにより、超音波の伝搬エネルギー損失をさらに大
きくして超音波減衰を早めることができる。

【００３１】ここで、光ファイバ１３ａ中を伝送される
光は、該光ファイバから出射する際に回折する。このた
め、光ファイバ１３ａを超音波検出素子２０に直接接続
すると、光が拡散して超音波検出素子の光反射特性が著
しく乱れ、超音波検出素子内で十分な干渉が生じなくな
る。このため、超音波検出素子の検出感度が著しく悪く
なってしまう。この現象を避けるため、光ファイバ１３
ａの一端には、出射光の拡散を防止するためにコリメー
トレンズ１４ａが接続されている。コリメートレンズア
レイに含まれる複数のコリメートレンズ１４ａは、それ
ぞれの光ファイバによって導かれた光を超音波検出素子
２０の超音波受信面における複数の位置に対してコリメ
ートする。

【００３２】コリメートレンズ１４ａとしては、グラデ
ィアントインデックスレンズ（gradient index lens、
以下ＧＲＩＮレンズと略す）が用いられる。ＧＲＩＮレ
ンズは、例えば、セルフォック（Ｓｅｌｆｏｃ：日本板
硝子株式会社の登録商標）レンズという製品名で知られ
ている。ＧＲＩＮレンズは、位置によって異なる屈折率
を有する屈折率分布型レンズであり、その長さを変える
ことによって光学特性が変化する。例えば、ＧＲＩＮレ
ンズを物体像面間距離（光が正立に結像するピッチ）の
１／４の長さにすると、入射光が平行光となって出射さ
れる。

【００３３】本実施形態においては、セルフォックレン
ズが多数配列されたセルフォックレンズアレイＮＡ０．
４６（日本板硝子株式会社の製品）を、０．２５Ｌの長
さ（Ｌは、物体像面間距離）で使用し、それぞれのセル
フォックレンズをコリメートレンズ１４ａとして光ファ
イバに接続している。図３に示すように、コリメートレ
ンズ１４ａを被覆材２３ａによって覆っても良い。光フ
ァイバ１３ａにおけるものと同様に、超音波を早く減衰
させるためである。

【００３４】光ファイバとコリメートレンズ、又は、コ
リメートレンズと超音波検出素子は、融着又は接着剤を
用いて接続される。接着剤を用いる場合には、エポキシ
系を含む樹脂系接着剤を用いることが望ましい。このよ
うな接着剤においては、音響インピーダンスが光ファイ
バ及びコリメートレンズの部材や超音波検出素子の基板
と近似しているので、超音波が伝搬する際にそれぞれの
部材の境界において反射するのを抑制できるからであ
る。また、複数の光ファイバを束ねるための接着剤２５
としても、エポキシ系を含む樹脂系接着剤を用いること
が望ましい。超音波を減衰させ、隣接する光ファイバ間
における超音波のクロストークを防ぐと共に、ケーブル
としての柔軟性を保つことができるからである。本実施
形態においては、このような接着剤として、ＳＴＹＣＡ
ＳＴ（Emerson & Cuming社の製品）を用いている。

【００３５】本実施形態によれば、受信された超音波が
光ファイバを伝搬する間に減衰して消滅するので、超音
波検出素子における超音波の多重反射を防ぐことができ
る。このため、超音波画像におけるＳＮ比を高め、画質
を向上させることができる。また、光ファイバと超音波
検出素子とを、長さが数ｍｍ程度のセルフォックレンズ
を介して接続するため、超音波受信装置を小型化するこ
とができる。

【００３６】本実施形態の変形例について、図４を参照
しながら説明する。この例は、図１における超音波検出
素子２０の替わりに、図４に示す超音波検出素子（エタ
ロンセンサ）３０を用いている。その他の構成について
は、図１及び図３を用いて説明したのと同様である。図
４に示すように、基板３１は、超音波によって変形する
膜状の基板である。基板３１に対向して、基板３２が配
置されており、これらはエタロンと同様の構造を形成し
ている。

【００３７】基板３１及び３２の光反射率をＲ、これら
の基板の間隔をｄとし、入射光の波長をλとすると、エ
タロンの透過率は次のように表される。ただし、ｎは任
意の整数である。Ｔ＝｛１＋４Ｒ／（１−Ｒ）²・ｓｉｎ²（φ／２）｝^-1 …（３） φ＝２π／λ・２ｎｄ・ｃｏｓθ …（４）ここで、θは出射面の垂線から測った出射角であり、θ
＝０とすると次の式のようになる。 φ＝４πｎｄ／λ …（５）エタロンは、波長λの光を光透過率Ｔで透過し、光反射
率Ｒ＝（１−Ｔ）で反射する。

【００３８】超音波検出素子３０に超音波を伝搬させる
と、基板３１が歪み、受信面の各位置において基板３１
及び３２の間隔ｄが変化するので、波長λの光に対する
反射率が変化する。エタロンの反射特性は、波長変化に
対して周期的に変化する。反射特性の変化率の大きい領
域に中心波長を有する光を基板３１に入射させながら超
音波を印加すると、受信面の各位置における超音波の強
さに応じた反射光の強度変化を観測できる。この反射光
の強度変化を超音波の強度に換算することにより、超音
波の強度を２次元的に計測することができる。

【００３９】次に、本発明の第２の実施形態に係る超音
波受信装置について、図５の（ａ）及び（ｂ）を参照し
ながら説明する。本実施形態においては、図１に示す超
音波検出素子２０、光伝送路１３、及び、コリメート部
１４の替わりに、図５の（ａ）に示すように、超音波有
感部を有するバンドルファイバ４０を用いている。その
他の構成については、第１の実施形態におけるものと同
様である。

【００４０】図５の（ｂ）に、バンドルファイバ４０に
含まれるファイバ４０ａの構成を示す。ファイバ４０ａ
は、光ファイバ４１とコリメートレンズ４２とを含んで
いる。本実施形態においては、第１の実施形態における
ものと同様に、コリメートレンズ４２として、０．２５
Ｌの長さを有するセルフォックレンズを用いている。ま
た、両者は、融着又はエポキシ系を含む樹脂系接着剤に
よって接続されている。

【００４１】コリメートレンズ４２の一端には、２種類
の材料層が交互に積層された多層膜４３が形成されてい
る。この多層膜４３が、ブラッググレーティング構造を
構成し、超音波有感部として働く。多層膜４３の材料と
しては、例えば、ＳｉＯ₂と酸化チタン（Ｔｉ₂Ｏ₃）と
の組み合わせや、ＳｉＯ₂と酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）
との組み合わせ等が用いられる。このような材料層は、
コリメートレンズ４２上に、真空蒸着やスパッタリング
等の方法によって形成されている。

【００４２】ファイバ４０ａは、ファイバ４０ａの一端
に伝搬した超音波が他端において反射する前に、超音波
が減衰してしまうように、粘度の低い部材（被覆材４
４）によって覆われている。さらに、図５の（ｂ）に示
すように、被覆材４４がコリメートレンズ４２まで覆う
ようにしても良い。これにより、ファイバ４０ａに伝搬
した超音波のエネルギー損失を大きくすることができる
ので、超音波を早く減衰させてバッキング部としての効
果を上げることができる。

【００４３】このようなファイバ４０ａを、エポキシ系
を含む樹脂系接着剤を用いて多数束ねることにより、超
音波有感部を有するバンドルファイバ４０が作製され
る。本実施形態によれば、コリメートレンズに直接多層
膜が形成されるので、コリメートレンズと超音波検出素
子との接続部分における強度が増す。また、この接続部
分における超音波の反射がより抑制されるので、超音波
をファイバ部分に逃がしやすくなり、効果的に多重反射
を抑制することができる。

【００４４】次に、本発明の第３の実施形態に係る超音
波受信装置について、図６を参照しながら説明する。図
６に示す超音波受信装置は、図１における光伝送路１３
及びコリメート部１４の替わりに、バッキング部５０を
有している。その他の構成については、第１の実施形態
と同様である。

【００４５】バッキング部５０は、検出に用いられる光
を透過する光伝送部５１と、超音波を減衰させるための
被覆部５２とを含んでいる。光伝送部５１には、光学ガ
ラス等の部材が用いられる。また、被覆部５２には、樹
脂、ゴム、液体等の粘度の低い部材が用いられる。この
ようなバッキング部５０と、超音波検出素子２０とは、
エポキシ系等の樹脂系接着剤によって接続される。

【００４６】図６の超音波受信装置において、光源１１
から発生した光は、レンズ１６を通過し、分波器１２に
よって方向を変えられた後、レンズ１７及び光伝送部５
１を通過し、超音波検出素子２０に入射する。超音波検
出素子２０においては、受信面２０ａにおいて受信され
る超音波に応じて伸縮した部分の光反射率が変動する。
これにより、超音波検出素子２０に入射した光は、強度
変調を受けて反射される。さらに、反射された光は、レ
ンズ１７、分波器１２、及び、結像系１８を通過し、光
検出器１５に入射して検出される。

【００４７】一方、超音波検出素子２０に印加された超
音波は、超音波検出素子２０の内部及びバッキング部５
０に伝搬する。バッキング部５０において、超音波は、
光伝送部５１を伝搬する際にエネルギーを損失すると共
に、被覆部５２によってエネルギーを吸収されて急速に
減衰する。これにより、超音波の多重反射による影響を
低減することができる。

【００４８】本実施形態によれば、それぞれの画素に対
応する複数の光ファイバによって超音波検出素子に導光
するのと異なり、超音波検出素子の反射面に対して所定
の太さ（照射面積）を有する光を導光するので、超音波
受信装置の構成を簡単にすることができる。なお、本実
施形態においては、図６に示すレンズ１７を通過した光
を直接光伝送部に入射させているが、図１に示すような
光ファイバやコリメート部を介して光伝送部に入射させ
ても良い。また、光伝送部５１と超音波検出素子２０と
の間に、光伝送部５１から出射した光を平行光にして超
音波検出素子２０に入射させるコリメート部を挿入して
も良い。さらに、本実施形態においては、超音波検出素
子として、図２に示す多層膜センサを用いているが、図
４に示すエタロンセンサを用いても良い。

【００４９】以上説明した第１〜第３の実施形態におい
ては、光増幅器を付加することによって超音波検出性能
を向上させることができる。この変形例について、図７
を参照しながら説明する。図７に示す超音波受信装置
は、図１に示す超音波受信装置に、光増幅器９１と光増
幅器９２との内の少なくとも一方を追加したものであ
る。光増幅器９１は、光源１１と分波器１２の間、若し
くは、レンズ１６と分波器１２の間に配置され、光源１
１から入射した光を増幅して分波器１２に出射する。一
方、光増幅器９２は、分波器１２と結像系１８の間に配
置され、分波器１２から入射した光を増幅して結像系１
８に出射する。結像系１８を用いない場合には、光増幅
器９２は、分波器１２と光検出器１５との間に配置さ
れ、分波器１２から入射した光を増幅して光検出器１５
に出射する。

【００５０】光増幅器としては、例えば、エルビウム
（Ｅｒ）をドープした光ファイバ増幅器ＥＤＦＡ（Er-d
oped optical fiber amplifier）を使用する。このＥＤ
ＦＡは、光の強度を約１桁から２桁上昇させることがで
きる。このような光増幅器を、光源１１と超音波検出素
子２０との間に配置した場合には、超音波検出素子２０
に入射する入射光の強度が増幅される。また、光増幅器
を超音波検出素子２０と光検出器１５との間に配置した
場合には、超音波検出素子２０に入射する入射光の強度
は変化しないが、光検出器１５に入射する反射光の強度
が増幅される。この場合には、受信した超音波によって
変調された反射光の強度変化も増幅されることになる。

【００５１】いずれにしても、光の状態で強度を増幅す
ることにより光検出器１５に入射する反射光の光量が増
加するので、光検出器１５における電気的なノイズの影
響を低減し、超音波受信装置のＳＮ比を向上させること
ができる。さらに、両者を併用する場合には、より一層
のＳＮ比の向上が実現可能である。

【００５２】また、第１〜第３の実施形態においては、
光源として、チューナブルＬＤの替わりにブロードバン
ド光源を用いることができる。この変形例について、図
８及び図９を参照しながら説明する。図８においては、
ブロードバンド光源から発生する光を、狭帯域化フィル
タにより狭帯域化して用いている。ブロードバンド光源
としては、例えば、増幅された自然放出光を放出するＡ
ＳＥ（amplified spontaneous emission）光源や、ブロ
ードバンドファイバ光源を用いることができる。図８に
おいては、ブロードバンド光源として、ＡＳＥ光源９３
を使用している。ＡＳＥ光源９３は、広帯域光増幅器
（broadband optical fiber amplifier）の構造を、増
幅された自然放出光を発生できるように変えたものであ
る。広帯域光増幅器の詳細については、例えば、大越春
喜氏による「広帯域光増幅器」（電子情報通信学会誌Ｖ
ｏｌ．８２、Ｎｏ．７、ｐ．７１８〜７２４、１９９９
年７月）を参照されたい。

【００５３】ここで、図９は、図８に示すＡＳＥ光源９
３の原理を説明するための図である。ＡＳＥ光源９３
は、光増幅用の光ファイバ９６を含んでいる。光ファイ
バ９６の一方の端部にはレンズ９７が取り付けられてお
り、他方の端部には励起光反射用のブラッググレーティ
ング部９８が形成されている。レンズ９７の図中左側に
は、レーザ発振器９９が励起光源として配置されてい
る。レーザ発振器９９において発生した光は、レンズ９
７を介して光ファイバ９６に入射して増幅され、増幅さ
れた光の一部は、自然放出光としてブラッググレーティ
ング部９８を透過する。

【００５４】再び図８を参照すると、ＡＳＥ光源９３が
発生した光は、分波器９４に入射する。分波器９４は、
第１の方向から入射した光を第２の方向に通過させると
共に、第２の方向から戻ってくる反射光を第１の方向と
は別の第３の方向に通過させる。図８においては、分波
器９４としてハーフミラーを用いているが、この他、光
サーキュレータや偏光ビームスプリッタを用いても良
い。

【００５５】ＡＳＥ光源９３を出た光が分波器９４を通
過する方向（図の下側）には、超音波検出素子２０と同
じ材料で構成される狭帯域フィルタ９５が設けられてい
る。狭帯域フィルタ９５に入射した光は、狭帯域フィル
タ９５に含まれるブラッググレーティング構造を有する
多層膜によって反射され、再び分波器９４に入射する。
ＡＳＥ光源９３から発生した自然放出光は、狭帯域フィ
ルタ９５を通過することにより、狭帯域化される。

【００５６】狭帯域フィルタ９５に反射された光は、再
び分波器９４に入射し、進路を変更されて分波器１２に
入射する。分波器１２を通過した光は、受信される超音
波に応じて伸縮することにより超音波有感部の光反射率
が変動する超音波検出素子２０に入射し、強度変調を受
けて反射される。

【００５７】ここで、ブラッググレーティング部は、温
度の変化によって反射光の中心波長が０．０１ｎｍ／℃
の割合で変化する。そのため、単一波長のレーザ光を発
生する光源を用いると、ブラッググレーティング部によ
って構成された超音波検出素子２０の感度が、温度の変
化によって大きく変化してしまうという問題があった。
しかしながら、図８に示すように、ＡＳＥ光源９３から
発生した自然放出光を狭帯域フィルタ９５によって狭帯
域化することにより、単一波長のレーザ光に近い帯域を
確保できると共に、温度の変化による超音波受信装置の
感度の変化を低減することができる。

【００５８】即ち、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素
子２０とを同一の材料で形成し、狭帯域フィルタ９５と
超音波検出素子２０とを、例えば、熱伝導率の高い材料
で結合したり、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２
０とを物理的に近接させることにより、熱的結合を図っ
ている。又は、狭帯域フィルタ９５と超音波検出素子２
０との周りにヒートパイプを配置しても良い。

【００５９】これにより、狭帯域フィルタ９５のブラッ
ググレーティング部と超音波検出素子２０のブラッググ
レーティング部とがほぼ同じ温度となるので、温度によ
って超音波検出素子２０の反射特性がシフトしても、超
音波検出素子２０に入射する光の波長も同様にシフトし
て、超音波受信装置の感度の変化を低減することができ
る。

【００６０】以上において述べたような超音波受信装置
を適用した超音波撮像装置について、図１０を参照しな
がら説明する。図１０に示す超音波検出部６０は、第１
〜第３の実施形態における超音波検出素子を含んでお
り、コリメート部や光伝送路を介してレンズ１７や分波
器１２に接続されている。

【００６１】また、この超音波撮像装置は、超音波送信
部７０と駆動信号発生回路７１とを含んでいる。超音波
送信部７０は、駆動信号発生回路７１から発生する駆動
信号に基づいて超音波を送信する。超音波送信部７０か
ら送信された超音波は、被検体によって反射され、超音
波検出部６０に受信される。このとき、超音波検出部６
０の超音波有感部は、印加される超音波に応じて伸縮
し、その伸縮に応じて超音波有感部の光反射率が変動す
る。一方、超音波検出部６０には、光源から発生し、分
波器１２を通過した光が入射している。この光は、超音
波検出部６０の超音波有感部における光反射率の変動に
より強度変調を受け、反射される。反射された光は、分
波器１２や結像系１８を介して光検出器１５に入射し、
２次元的に検出される。

【００６２】また、この超音波撮像装置は、信号処理部
８１と、Ａ／Ｄ変換器８２と、１次記憶部８３と、画像
処理部８４と、画像表示部８５と、２次記憶部８６と、
タイミングコントロール部７２とを含んでいる。光検出
器１５から出力される検出信号は、信号処理部８１にお
いて位相調整、対数増幅、検波等の処理を施され、さら
に、Ａ／Ｄ変換器８２においてディジタル信号に変換さ
れる。

【００６３】１次記憶部８３は、変換されたデータに基
づく複数枚の面データを記憶する。画像処理部８４は、
それらのデータに基づいて、２次元データ又は３次元デ
ータを再構成すると共に、補間、レスポンス変調処理、
階調処理等の処理を施す。画像表示部８５は、例えば、
ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、これらの
処理を施された画像データに基づいて画像を表示する。
さらに、２次記憶部８６は、画像処理部８４において処
理されたデータを記憶する。

【００６４】タイミングコントロール部７２は、所定の
タイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生回
路７１を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後
に光検出器１５から出力される検出信号を取り込むよう
に、信号処理部８１を制御する。このようにして、被写
体の特定の深さから反射された超音波を検出することが
できる。ここで、超音波検出部６０と超音波送信部７０
とは、別々に設けても良いし、超音波送信部７０と超音
波検出素子とを組み合わせることにより、超音波用探触
子（超音波送受信部）１を形成しても良い。

【００６５】超音波送信部７０と超音波検出素子とを組
み合わせる場合における超音波用探触子の構成につい
て、図１１及び図１２を参照しながら説明する。図１１
に示す超音波用探触子１において、超音波検出素子２０
の周囲には、複数の超音波送信素子１０が配置されてい
る。超音波送信素子１０は、圧電素子７及び電極８を含
んでおり、配線９を介して駆動信号発生回路７１に接続
されている。なお、図１１においては、簡単のために、
１組のみの配線を示す。

【００６６】圧電素子７は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧
電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：po
lyvinyl difluoride）等の高分子圧電素子によって構成
される。このような圧電素子に、駆動信号発生回路７１
からパルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って
電圧を印加すると、圧電素子は圧電効果により伸縮す
る。これにより、超音波パルス或いは連続波超音波が発
生し、媒質中を超音波ビームとして伝搬する。

【００６７】図１２は、超音波用探触子１のハウジング
内の正面図である。超音波用探触子１のハウジング３５
内には、圧電素子７及び電極８を含む超音波送信素子１
０と、コリメータ部１４を介して光伝送部１３に接続さ
れている超音波検出素子２０とが収納されている。

【００６８】超音波送信素子１０及び超音波検出素子２
０とハウジング３５との間には、音響インピーダンスの
整合を図るために音響整合層３６を設けることが望まし
い。音響整合層３６は、超音波を伝え易いパイレックス
（登録商標）ガラスや金属粉入りエポキシ樹脂等により
構成することができる。また、ハウジング３５の表面に
は、超音波送信素子１０や超音波検出素子２０を保護す
ることも兼ねて、シリコンゴム等の音響レンズ材３７を
設けることが望ましい。なお、ハウジング３５内は、超
音波送信素子１０及び超音波検出素子２０が設けられた
部分の近傍を除き、樹脂３８で固められている。

【００６９】図１３は、超音波用探触子１の平面図を示
している。本実施形態においては、図１３の（ａ）に示
すように、超音波検出素子２０の周囲に複数の超音波送
信素子１０を配置しているが、図１３の（ｂ）又は
（ｃ）に示すように、超音波検出素子２０の受信面が１
つ又は複数の超音波送信素子１０を囲むように配置する
ことも可能である。図１３の（ｂ）に示すように、超音
波検出素子２０の中心に１つの超音波送信素子１０を配
置する場合には、送信波のビームスキャンはできないの
で、無指向性の超音波送信素子を用いることが望まし
い。一方、図１３の（ａ）又は（ｃ）に示すように、複
数の超音波送信素子１０を１次元又は２次元的に配置す
る場合には、１次元又は２次元的なビームスキャン送信
が可能になる。なお、図１３の（ａ）〜（ｃ）におい
て、超音波送信素子１０や超音波検出素子２０の周囲
を、超音波のクロストークを低減させるために、吸音材
３９で満たしても良い。吸音材３９としては、金属粉入
りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴム等が適してい
る。

【００７０】超音波送信素子１０と超音波検出素子２０
とを図１３（ｃ）に示すように配置する場合には、例え
ば、次のように超音波用探触子を作製することができ
る。図１４は、超音波用探触子の作製方法の例を説明す
るための図である。図１４の（ａ）〜（ｄ）は、図１３
の（ｃ）のＡ−Ａ’面における断面を示している。ま
ず、図１４の（ａ）に示すように、光学ガラス等を材料
とする基板２１に、複数の開口を形成する。次に、図１
４の（ｂ）に示すように、基板２１の図中下側の面上
に、異なる屈折率を有する２種類の材料層を交互に積層
することにより、ブラッググレーティング構造を有する
多層膜２２を形成する。次に、図１４の（ｃ）に示すよ
うに、基板２１の開口内に、圧電素子７及び電極８を含
む超音波送信素子１０を挿入する。これにより、超音波
検出素子２０の受信面が、超音波送信素子１０を囲むよ
うに形成される。なお、この際に、超音波送信素子１０
と超音波検出素子２０との隙間に吸音材３９やエポキシ
系の接着剤等を充填してもよい。さらに、図１４の
（ｄ）に示すように、超音波送信素子１０に配線９を接
続し、超音波検出素子２０にコリメート部１４及び光伝
送路１３を接続する。

【００７１】このように、異なる方式を用いた超音波送
信部と超音波検出部とを一つの探触子にまとめると、従
来の送受同一方式を用いた探触子と同様の操作感で超音
波診断を行うことができる。

【００７２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、受
信した超音波を光伝送路に伝搬させることにより、超音
波の多重反射を抑制することができる。これにより、Ｓ
Ｎ比の高い信号を得ることができ、画質の良い超音波画
像を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置
の構成を示す図である。

【図２】図１に示す超音波検出素子の超音波検出原理を
説明するための図である。

【図３】図１に示す超音波検出素子、コリメート部、及
び、光伝送路の接続部分を拡大して示す断面図である。

【図４】図１に示す超音波受信装置の変形例を示す図で
ある。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波受信装置
の一部を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波受信装置
を示す図である。

【図７】本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波受
信装置の変形例を示す図である。

【図８】本発明の第１〜第３の実施形態に係る超音波受
信装置の別の変形例を示す図である。

【図９】図８に示すＡＳＥ光源の構成を示す図である。

【図１０】本発明に係る超音波受信装置を適用した超音
波撮像装置を示すブロック図である。

【図１１】図１０の超音波撮像装置に含まれる超音波用
探触子の構成を示す模式図である。

【図１２】図１１に示す超音波用探触子の構造を示す正
面図である。

【図１３】超音波検出素子と超音波送信素子の配置例を
示す図である。

【図１４】超音波検出素子が超音波送信素子を囲むよう
に配置されている超音波用探触子の作製方法の例を示す
図である。

【図１５】ファブリーペロー共振器構造を有する２次元
面センサの構成を示す図である。

【図１６】光検出方式の超音波検出素子における超音波
の多重反射を説明するための図である。

【図１７】図１７の（ａ）は、超音波検出素子における
位置Ａ〜Ｅにおいて生じた振動を示す波形図であり、図
１７の（ｂ）は、超音波検出素子によって検出された位
置Ａ、Ｃ、Ｅにおける検出信号を示す波形図である。

【符号の説明】

１超音波用探触子（超音波送受信部）７圧電素子８電極９配線１０超音波
送信素子１１光源１３光伝送
路１３ａ、９６光ファイバ１４コリメ
ート部１４ａコリメートレンズ１５光検出
器１６、１７、９７レンズ１８結像系２０、３０、１００超音波検出素子２０ａ、１０２ａ受信面２１、３１、
３２基板２２、４３多層膜２３ａ被覆
材２５接着剤３５ハウジ
ング３６音響整合層３７音響レ
ンズ３８樹脂３９吸音材４０超音波有感部を有するバンドルファイバ４０ａファイバ４１光ファ
イバ４２コリメートレンズ４４被覆材５０バッキング部５１光伝送
部５２被覆部６０超音波
検出部７０超音波送信部７１駆動信
号発生回路７２タイミングコントロール部８１信号処
理部８２Ａ／Ｄ変換器８３１次記
憶部８４画像処理部８５画像表
示部８６２次記憶部９１、９２
光増幅器９３ＡＳＥ光源９４、１２
分波器９５狭帯域フィルタ９８ブラッ
ググレーティング部９９レーザ発振器１０１基材１０２超音波有感部１０３全反
射ミラー１０４ハーフミラー１０５キャ
ビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G047 AC13 BC07 CA01 EA04 GB23 GF25 GH06 4C301 AA03 EE07 GB08 GB10 GB20 JB03 LL05 5D019 AA21 DD00 FF04 FF05 GG06 GG11 5J083 AB17 AB18 AC16 AC19 AC29 AD01 AD13 CA12 CB02 CB30

Claims

【整理番号】５０２０５９【特許請求の範囲】

【請求項１】受信される超音波に基づいて光を変調す
る超音波検出素子と、前記超音波検出素子に直接又は間接的に接続され、前記
超音波検出素子に受信される超音波を伝搬させるバッキ
ング部であって、光透過性を有すると共に、超音波の検
出に用いられる光を導光する前記バッキング部と、前記超音波検出素子から出力される光を検出する光電変
換部と、を具備する超音波受信装置。
【請求項２】前記超音波検出素子が、受信される超音
波に応じて伸縮し、伸縮に応じて光反射率が変動するこ
とにより、入射される光を強度変調する超音波有感部を
含み、前記光電変換部が、前記超音波検出素子において強度変
調された光を検出することを特徴とする、請求項１記載
の超音波受信装置。
【請求項３】前記バッキング部が、超音波を減衰させ
る部材を含む、請求項１又は２記載の超音波受信装置。
【請求項４】受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮
に応じて光反射率が変動することにより、入射される光
を強度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子と、前記超音波検出素子に光を導くと共に、前記超音波検出
素子によって受信される超音波を伝搬させる光伝送路
と、前記光伝送路によって導かれた光を前記超音波検出素子
に対してコリメートするコリメート部と、前記超音波検出素子から反射される光を検出する光電変
換部と、を具備する超音波受信装置。
【請求項５】前記光伝送路と前記コリメート部との内
の少なくとも一方が、光透過性を有すると共に超音波を
減衰させる部材を含む、請求項４記載の超音波受信装
置。
【請求項６】前記光伝送路と前記コリメート部との内
の少なくとも一方が、超音波を減衰させる部材によって
被覆されている、請求項４又は５記載の超音波受信装
置。