JP2013214722A - レーザ装置及び光音響計測装置 - Google Patents

レーザ装置及び光音響計測装置 Download PDF

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Abstract

【課題】２つの波長を切り替えて出射可能なレーザ装置において、特にレーザ利得が低い側の波長について、励起パワーを増加させなくても安定的にレーザ発振を行えるようにする。
【解決手段】フラッシュランプ５２は、レーザロッド５１に励起光を照射する。光共振器は、レーザロッド５１を挟んで対向する一対のミラー５３、５４を含む。波長切替部５６は、光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御する。波長切替部５６がレーザ利得が低い側の波長である第１の波長で発振させるように光共振器を制御している場合に、第１の単波長レーザ５７は、光共振器に第１の波長の光をインジェクションシーディングする。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ装置に関し、更に詳しくは、第１及び第２の波長の光を出射可能なレーザ装置に関する。また、本発明は、そのようなレーザ装置を含む光音響計測装置に関する。
従来、例えば特許文献１や非特許文献１に示されているように、光音響効果を利用して生体の内部を画像化する光音響画像化装置が知られている。この光音響画像化装置においては、例えばパルスレーザ光等のパルス光が生体に照射される。このパルス光の照射を受けた生体内部では、パルス光のエネルギーを吸収した生体組織が熱によって体積膨張し、音響波が発生する。この音響波を超音波プローブなどで検出し、検出された信号（光音響信号）に基づいて生体内部を可視像化することが可能となっている。光音響画像化方法では、特定の光吸収体において音響波が発生するため、生体における特定の組織、例えば血管等を画像化することができる。
ところで、生体組織の多くは光吸収特性が光の波長に応じて変わり、また一般に、その光吸収特性も組織ごとに特有のものとなっている。例えば図１５に、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)と、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の光波長ごとの分子吸収係数を示す。動脈の光吸収特性は、酸素化ヘモグロビンのそれに対応し、静脈の光吸収特性は、脱酸素化ヘモグロビンのそれに対応する。この波長に応じた光吸収率の違いを利用して、互いに異なる２種の波長の光を血管部分に照射し、動脈と静脈とを区別して画像化する光音響画像化方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
ここで、可変波長レーザに関して、特許文献３には、波長選択素子としてのエタロン又は複屈折フィルタを光共振器内に配置したレーザが記載されている。複屈折フィルタなどの回転角度を調整することで、所望の波長のレーザ光を得ることができる。また、特許文献４には、複数種の波長のレーザ光を容易に切り換えて出力することが可能な多色の固体レーザ装置が記載されている。特許文献３では、特定のピーク波長光だけを選択的に透過させるバンドパスフィルタを、レーザ活性媒体と光共振器ミラーのうちの一方との間の光路上に配置する。バンドパスフィルタを、選択すべきピーク波長の分だけ用意し、用意されたバンドパスフィルタのうちの何れかを光路上に配置することで、複数の波長のレーザ光を切り替えて出射することができる。
特開２００５−２１３８０号公報 特開２０１０−０４６２１５号公報 特開２００９−２３１４８３号公報 特開平１０−６５２６０号公報 特開２００５−２１７４４２号公報
A High-Speed Photoacoustic Tomography System based on a Commercial Ultrasound and a Custom Transducer Array, Xueding Wang, Jonathan Cannata,Derek DeBusschere, Changhong Hu, J. Brian Fowlkes, and Paul Carson, Proc. SPIE Vol. 7564, 756424 (Feb.23, 2010)
ここで、レーザ利得が波長依存性を有し、第１の波長と第２の波長とにおいてレーザ利得差が生じている場合を考える。この場合、特にレーザ利得が低い波長において、レーザ発振が不安定になり、パルスレーザ光の立ち上がりが安定せずにジッタが生じることがある。レーザ発振を安定的に行えるようにするために、励起パワーを上げることも考えられるが、その場合、励起光源からより強度の高い光をレーザ媒質に向けて照射する必要があり、電源容量が増加するという問題が生じる。
ところで、半導体レーザなどのレーザから出射したレーザ光（シード光）を高出力の固体レーザ（スレーブレーザ、従発振器）に注入してインジェクションシーディングを行うことが知られている。インジェクションシーディングに関し、特許文献５には、波長可変レーザから出力されたレーザ光を、固体レーザなどの高出力パルス発振が可能なレーザにインジェクションシーディングすることが記載されている。特許文献５には、波長可変レーザから出力された、周波数が安定化された連続発振の波長可変レーザ光をインジェクションシーディングすることで、そのレーザ光と同程度に精密に周波数制御された高出力のパルスレーザ光を得ることができると記載されている。
しかしながら、特許文献５は、狭帯域なシード光をベースに、シード光の持つスペクトル幅を維持したまま高出力化するためにインジェクションシーディングを行っている。このため、シード光を出力する波長可変レーザには、例えば０．０１ｎｍよりも狭いスペクトル幅が要求され、そのような半導体レーザは非常に高価である。また、例えば振動が大きな場所には設置できず、かつ、環境温度変動も小さくしなければならないなど、機械的にもシビアな設置条件が要求される。従来は、２つの波長の光を切り替えて出射可能なレーザにおいて、それぞれの波長、特にレーザ利得が低い側の波長においてインジェクションシーディングしていなかった。
本発明は、上記に鑑み、２つの波長を切り替えて出射可能なレーザ装置において、特にレーザ利得が低い側の波長について、励起パワーを増加させなくても安定的にレーザ発振を行えるレーザ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記レーザ装置を含む光音響計測装置を提供する。
上記目的を達成するために、本発明は、第１の波長の光と、第１の波長よりも波長が短く、かつ、レーザ利得係数の波長特性において、第１の波長におけるレーザ利得係数よりもレーザ利得係数が高い第２の波長の光とを切り替えて出射可能なレーザ装置であって、レーザ媒質と、レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、レーザ媒質を挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御するための波長切替部と、波長切替部が第１の波長で発振させるように光共振器を制御する場合に、光共振器に第１の波長の光をインジェクションシーディングする第１の単波長レーザとを備えたことを特徴とするレーザ装置を提供する。
本発明のレーザ装置が、波長切替部が第２の波長で発振させるように光共振器を制御しているときに、光共振器に第２の波長の光をインジェクションシーディングする第２の単波長レーザを更に備える構成を採用することができる。
波長切替部が、第１の波長以上の波長の光を透過させる第１のロングパスフィルタを含むものとし、かつ出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるとき、第１のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入することとしてもよい。
波長切替部が、第２の波長以上の波長の光を透過させる第２のロングパスフィルタを更に含むものとし、かつ出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるとき、第２のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入してもよい。
上記に代えて、波長切替部が、光共振器の光路上に配置され、かつ回転変位に伴って透過光の波長を変化させる複屈折フィルタを含む構成を採用してもよい。
あるいは、波長切替部が、第１の波長の光を選択的に透過させる第１のバンドパスフィルタを含ものとし、かつ出射されるレーザ光の波長が第１の波長である場合、第１のバンドパスフィルタを光共振器の光路上に挿入することとしてもよい。
波長切替部が、第２の波長の光を選択的に透過させる第２のバンドパスフィルタを更に含ものとし、かつ出射されるレーザ光の波長が第２の波長である場合、第２のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入してもよい。
光共振器の光路上に配置されたＱスイッチを更に備える構成としてもよい。
本発明は、また、第１の波長の光と、第１の波長よりも波長が短く、かつ、レーザ利得係数の波長特性において、第１の波長におけるレーザ利得係数よりもレーザ利得係数が高い第２の波長の光とを出射可能なレーザ装置であって、レーザ媒質と、該レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、レーザ媒質を挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、該光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御するための波長切替部と、該波長切替部が第１の波長で発振させるように光共振器を制御している場合に、光共振器に第１の波長の光をインジェクションシーディングする第１の単波長レーザとを有するレーザ装置と、第１の波長及び第２の波長のレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、第１の波長及び第２の波長のそれぞれに対応した第１の光音響データ及び第２の光音響データを生成する検出手段と、第１の光音響データ及び第２の光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度比抽出手段とを備えたことを特徴とする光音響計測装置を提供する。
本発明の光音響計測装置が、第１の光音響データ及び第２の光音響データに基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段を更に備える構成を採用することができる。
本発明の光音響計測装置が、第１の光音響データ及び第２の光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する強度情報抽出手段を更に備える構成とし、光音響画像構築手段が、光音響画像の各画素の階調値を強度情報に基づいて決定すると共に、各画素の表示色を抽出された大小関係に基づいて決定するものとしてもよい。
第１の光音響データと第２の光音響データとのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する複素数化手段と、複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成する光音響画像再構成手段とを更に備える構成とし、強度比抽出手段が再構成画像から大小関係としての位相情報を抽出し、強度情報抽出手段が再構成画像から強度情報を抽出してもよい。
本発明のレーザ装置は、第１の波長の光と、第１の波長よりも波長が短い第２の波長の光とを出射可能である。第２の波長におけるレーザ利得係数は、第１波長における利得係数よりも高い。逆にいえば、第１の波長におけるレーザ利得係数は、第２の波長におけるレーザ利得係数よりも低い。本発明では、波長切替部が光共振器内で発振する光の波長を第１の波長に制御するとき、第１の単波長レーザから、光共振器に第１の波長のレーザ光をインジェクションシーディングする。インジェクションシーディングを行うことでしきい値を下げることができ、特にレーザ利得が低い第１の波長において、励起パワーを増大させなくてもレーザ発振を安定的に行うことができる。
本発明の第１実施形態の光音響計測装置を示すブロック図。 第１実施形態のレーザ光源ユニットの構成を示すブロック図。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれレーザ光源ユニットにおける光共振器内の構成を示すブロック図。 アレキサンドライトの利得を示すグラフ。 波長切替部の光透過率を示すグラフ。 光共振器の実効利得を示すグラフ。 波長切替部の変形例を示す図。 光音響計測装置の動作手順を示すフローチャート。 波長切替部の別の構成例を示す図。 第１及び第２のロングパスフィルタの光透過率の波長特性を示すグラフ。 光共振器の実効利得を示すグラフ。 出力ミラーの反射率の波長特性を示すグラフ。 本発明の第２実施形態のレーザ装置を示すブロック図。 本発明の第３実施形態の光音響計測装置を示すブロック図。 酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの光波長ごとの分子吸収係数を示すグラフ。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態のレーザ装置を含む光音響計測装置を示す。光音響計測装置１０は、超音波探触子（プローブ）１１と、超音波ユニット１２と、レーザ光源ユニット（レーザ装置）１３とを備える。レーザ光源ユニット１３は、被検体に照射されるパルスレーザ光を出射する。レーザ光源ユニット１３は、第１の波長の光と第２の波長の光とを切り替えて出射することができる。ここで、第２の波長は第１の波長よりも波長が短い。また、レーザの利得係数の波長特性において、第２の波長における利得係数は第１の波長における利得係数よりも高い。レーザの利得係数は、例えば第２の波長で最大値を取り、第２の波長よりも短い波長の範囲では波長が短くなるに連れて単調に減少していき、第２の波長よりも長い波長範囲では波長が長くなるに連れて単調に減少していく。
例えば、第１の波長（中心波長）として約８００ｎｍを考え、第２の波長として約７５０ｎｍを考える。先に説明した図１５を参照すると、ヒトの動脈に多く含まれる酸素化ヘモグロビン(酸素と結合したヘモグロビン:oxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも低い。一方、静脈に多く含まれる脱酸素化ヘモグロビン（酸素と結合していないヘモグロビンdeoxy-Hb)の波長７５０ｎｍにおける分子吸収係数は、波長８００ｎｍにおける分子吸収係数よりも高い。この性質を利用し、波長８００ｎｍで得られた光音響信号に対して、波長７５０ｎｍで得られた光音響信号が相対的に大きいのか小さいのかを調べることで、動脈からの光音響信号と静脈からの光音響信号とを判別することができる。
なお、第１の波長と第２の波長の選択に関しては、理論上、選択される２波長において光吸収係数に差があればどのような二波長の組み合わせでもよく、上記した約７５０ｎｍと約８００ｎｍの組み合わせには限定されない。扱いやすさなどを考えると、選択される２つの波長は、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとで光吸収係数が同じになる波長約８００ｎｍ（正確には７９８ｎｍ）と、脱酸素化ヘモグロビンの光吸収係数が極大値となる波長約７５０ｎｍ（正確には７５７ｎｍ）との組み合わせが好ましい。第１の波長は、正確に７９８ｎｍである必要はなく、例えば７９３ｎｍ〜８０２ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。また、第２の波長は、正確に７５７ｎｍである必要はなく、例えば極大値（７５７ｎｍ）付近のピークの半値幅である７４８〜７７０ｎｍの範囲にあれば実用上問題はない。
レーザ光源ユニット１３から出射したレーザ光は、例えば光ファイバなどの導光手段を用いてプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に向けて照射される。レーザ光の照射位置は特に限定されず、プローブ１１以外の場所からレーザ光の照射を行ってもよい。被検体内では、光吸収体が照射されたレーザ光のエネルギーを吸収することで超音波（音響波）が生じる。プローブ１１は、超音波検出器を含む。プローブ１１は、例えば一次元的に配列された複数の超音波検出器素子（超音波振動子）を有し、その一次元配列された超音波振動子により、被検体内からの音響波（光音響信号）を検出する。
超音波ユニット１２は、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、複素数化手段２４、光音響画像再構成手段２５、位相情報抽出手段２６、強度情報抽出手段２７、検波・対数変換手段２８、光音響画像構築手段２９、トリガ制御回路３０、及び制御手段３１を有する。受信回路２１は、プローブ１１が検出した光音響信号を受信する。ＡＤ変換手段２２は検出手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングし、デジタルデータである光音響データを生成する。ＡＤ変換手段２２は、ＡＤクロック信号に同期して、所定のサンプリング周期で光音響信号のサンプリングを行う。
ＡＤ変換手段２２は、光音響データを受信メモリ２３に格納する。ＡＤ変換手段２２は、レーザ光源ユニット１３から出射されるパルスレーザ光の各波長に対応した光音響データを受信メモリ２３に格納する。つまり、ＡＤ変換手段２２は、被検体に第１の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第１の光音響データと、第２の波長のパルスレーザ光が照射されたときにプローブ１１で検出された光音響信号をサンプリングした第２の光音響データとを、受信メモリ２３に格納する。
複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する。以下では、複素数化手段２４が、第１の光音響データを虚部とし、第２の光音響データを実部とした複素数データを生成するものとして説明する。
光音響画像再構成手段２５は、複素数化手段２４から複素数データを入力する。光音響画像再構成手段２５は、入力された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う。フーリエ変換法による画像再構成には、例えば文献”Photoacoustic Image Reconstruction-A Quantitative Analysis”Jonathan I.Sperl et al. SPIE-OSA Vol.6631 663103 等に記載されている従来公知の方法を適用することができる。光音響画像再構成手段２５は、再構成画像を示すフーリエ変換のデータを位相情報抽出手段２６と強度情報抽出手段２７とに入力する。
位相情報抽出手段２６は、各波長に対応した光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する。本実施形態では、位相情報抽出手段２６は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、実部と虚部とを比較したときに、相対的に、どちらがどれくらい大きいかを示す位相情報を生成する。位相情報抽出手段２６は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として生成する。なお、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°とする。実部を構成する第２の光音響データ（Ｘ）と虚部を構成する第１の光音響データ（Ｙ）とが等しいとき、位相情報はθ＝４５°となる。位相情報は、相対的に第２の光音響データが大きいほどθ＝０°に近づいていき、第１の光音響データが大きいほどθ＝９０°に近づいていく。
強度情報抽出手段２７は、各波長に対応した光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する。本実施形態では、強度情報抽出手段２７は、光音響画像再構成手段２５で再構成された再構成画像を入力データとし、複素数データである入力データから、強度情報を生成する。強度情報抽出手段２７は、例えば複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ２＋Ｙ２）１／２を、強度情報として抽出する。検波・対数変換手段２８は、強度情報抽出手段２７で抽出された強度情報を示すデータの包絡線を生成し、次いでその包絡線を対数変換してダイナミックレンジを広げる。
光音響画像構築手段２９は、位相情報抽出手段２６から位相情報を入力し、検波・対数変換手段２８から検波・対数変換処理後の強度情報を入力する。光音響画像構築手段２９は、入力された位相情報と強度情報とに基づいて、光吸収体の分布画像である光音響画像を生成する。光音響画像構築手段２９は、例えば入力された強度情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定する。また、光音響画像構築手段２９は、例えば位相情報に基づいて、光吸収体の分布画像における各画素の色（表示色）を決定する。光音響画像構築手段２９は、例えば例えば位相０°から９０°の範囲を所定の色に対応させたカラーマップに用いて、入力された位相情報に基づいて各画素の色を決定する。
ここで、位相０°から４５°の範囲は、第２の光音響データが第１の光音響データよりも大きい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５７ｎｍに対する吸収の方が大きい脱酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている静脈であると考えられる。一方、位相４５°から９０°の範囲は、第１の光音響データが第２の光音響データよりも小さい範囲であるため、光音響信号の発生源は、波長７９８ｎｍに対する吸収よりも波長７５７ｎｍに対する吸収の方が小さい酸素化ヘモグロビンを主に含む血液が流れている動脈であると考えられる。
そこで、カラーマップとして、例えば位相が０°が青色で、位相が４５°に近づくに連れて無色（白色）になるように色が徐々に変化すると共に、位相９０°が赤色で、位相が４５°に近づくに連れて白色になるように色が徐々に変化するようなカラーマップを用いる。この場合、光音響画像上で、動脈に対応した部分を赤色で表わし、静脈に対応した部分を青色で表わすことができる。強度情報を用いずに、階調値は一定として、位相情報に従って動脈に対応した部分と静脈に対応した部分との色分けを行うだけでもよい。画像表示手段１４は、光音響画像構築手段２９が生成した光音響画像を表示画面上に表示する。
次いで、レーザ光源ユニット１３の構成を詳細に説明する。図２は、レーザ光源ユニット１３の構成を示す。レーザ光源ユニット１３は、レーザロッド５１、フラッシュランプ５２、ミラー５３、５４、Ｑスイッチ５５、波長切替部５６、第１の単波長レーザ５７、第２の単波長レーザ５８、ダイクロイックミラー５９、ビームスプリッタ６０、及びフラッシュランプ電源回路６１を有する。レーザロッド５１は、レーザ媒質である。レーザロッド５１には、例えばアレキサンドライト結晶を用いることができる。アレキサンドライト結晶の第１の波長（８００ｎｍ）におけるレーザ利得係数は、第２の波長（７５０ｎｍ）におけるレーザ利得係数よりも低い。
フラッシュランプ５２は、励起光源であり、レーザロッド５１に励起光を照射する。フラッシュランプ５２以外の光源を、励起光源として用いてもよい。フラッシュランプ電源回路６１は、フラッシュランプ５２に電源を供給するための回路である。フラッシュランプ電源回路６１は、典型的には高電圧を生成する昇圧回路を含んでおり、高圧電源ラインを介してフラッシュランプ５２に数ｋＶ程度の電圧を供給する。フラッシュランプ５２にフラッシュランプトリガ信号が入力されると、高圧電源ラインに電流が流れ、フラッシュランプ５２が点灯する。
ミラー５３、５４は、レーザロッド５１を挟んで対向しており、ミラー５３、５４により光共振器が構成される。ミラー５４が出力側であるものとする。光共振器内には、Ｑスイッチ５５及び波長切替部５６が挿入される。Ｑスイッチ５５は、図示しないＱスイッチドライバによって駆動され、光共振器内の挿入損失を、損失大（低Ｑ）と損失小（高Ｑ）との間で切り替える。Ｑスイッチ５５により、光共振器内の挿入損失を損失大（低Ｑ）から損失小（高Ｑ）へと急速に変化させることで、パルスレーザ光を得ることができる。
波長切替部５６は、光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御する。波長切替部５６は、例えば第１の波長の光以上の波長の光を透過させる第１のロングパスフィルタを含む。波長切替部５６は、レーザ光源ユニット１３から出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるとき、第１のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入させる。この場合、波長切替部５６は、レーザロッド５１から出射した光のうち、第１の波長よりも短い波長の成分の通過を阻止する。波長切替部５６は、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるときは、第１のロングパスフィルタを光共振器の光路上から除去する。この場合、波長切替部５６は、第１及び第２の波長を含む、例えばレーザロッド５１から出射した光の全ての波長成分を透過させる。
第１の単波長レーザ５７は、第１の波長のレーザ光を出射する単波長のレーザである。第２の単波長レーザ５８は、第２の波長のレーザ光を出射する単波長のレーザである。第１の単波長レーザ５７及び第２の単波長レーザ５８には、例えば半導体レーザを用いることができる。第１の単波長レーザ５７及び第２の単波長レーザ５８は、それぞれ第１及び第２の波長のパルスレーザ光又は連続波のレーザ光を出射する。
第１の単波長レーザ５７は、レーザ光源ユニット１３から出射されるレーザ光の波長が第１の波長のとき、換言すれば、波長切替部５６が光共振器の発振波長を第１の波長に制御するとき、第１の波長のレーザ光を出射する。第１の単波長レーザ５７から出射した第１の波長のレーザ光は、ダイクロイックミラー５９を透過してビームスプリッタ６０に入射し、ビームスプリッタ６０で反射して光共振器の光路に注入される。
第２の単波長レーザ５８は、レーザ光源ユニット１３から出射されるレーザ光の波長が第２の波長のとき、換言すれば、波長切替部５６が光共振器の発振波長を第２の波長に制御するとき、第２の波長のレーザ光を出射する。第２の単波長レーザ５８から出射した第２の波長のレーザ光は、ダイクロイックミラー５９で反射してビームスプリッタ６０に向かい、ビームスプリッタで反射して光共振器の光路に注入される。
図１に戻り、制御手段３１は、超音波ユニット１２内の各部の制御を行う。トリガ制御回路３０は、レーザ光源ユニット１３に、フラッシュランプ５２（図２）の発光を制御するためのフラッシュランプトリガ信号を出力する。トリガ制御回路３０は、フラッシュランプトリガ信号の出力後、Ｑスイッチ５５にＱスイッチトリガ信号を出力する。Ｑスイッチ５５が、Ｑスイッチトリガ信号に応答して光共振器内の挿入損失を損失大から損失小に急激に変化させることで（Ｑスイッチがオンすることで）、出力ミラー５４からパルスレーザ光が出射する。
トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号のタイミング、すなわちパルスレーザ光の出射タイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号（ＡＤトリガ信号）を出力する。ＡＤ変換手段２２は、サンプリングトリガ信号にと基づいて光音響信号のサンプリングを開始する。
続いて、レーザ光源ユニット１３における波長切替について説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれレーザ光源ユニット１３における光共振器内の構成を示す。波長切替部５６は、例えば波長８００ｎｍ以上の光を透過させるロングパスフィルタとして構成させる。例えばロングパスフィルタの透過率が５０％となる波長をカットオフ波長と定義すると、波長切替部５６には、波長８００ｎｍよりも少し短い波長をカットオフ波長とするロングパスフィルタが用いられる。例えばロングパスフィルタは、波長８００ｎｍ付近において、波長が８００ｎｍよりも短い波長範囲では全透過（光透過率ほぼ１００％）と呼べるほど光透過率が高くなく、波長が８００ｎｍになると初めて光がほぼ全透過すると言える波長特性となるような光透過率の波長特性を有する。
図３（ａ）は、ロングパスフィルタが光共振器の光路上に挿入された状態を示す。波長切替部５６は、出射されるレーザ光の波長が第１の波長（８００ｎｍ）のとき、例えばモータなどによりロングパスフィルタの位置を変位させ、ロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入する。一方、図３（ｂ）は、ロングパスフィルタが光共振器の光路上から除去された状態を示す。波長切替部５６は、出射されるレーザ光の波長が第２の波長（７５０ｎｍ）のときは、モータなどによりロングパスフィルタを光共振器の光路上外に移動させる。
図４は、アレキサンドライトの利得を示す。アレキサンドライトの利得係数ｇ（λ，Ｔ）は、下記式で表わされる。
ここでｐは反転分布率（上準位数／添加濃度）の関数である。ｐは励起エネルギーに比例する。Ezplは零フォノンエネルギーである。アレキサンドライトの利得Ｇ（λ）は、ｌｒｏｄはアレキサンドライトロッドの長さとして、下記式で表わされる。
Ｇ（λ）＝ｅｘｐ［ｇ（λ，Ｔ）×ｌｒｏｄ］）
図４に示すように、アレキサンドライトのレーザ利得Ｇ（λ）は、波長７５０ｎｍ付近でピークとなり、波長７５０ｎｍを超える波長範囲では、波長が長くなるにつれて低下していく。
図５は、波長切替部５６の光透過率を示す。同図において、グラフ（ａ）は波長切替部５６に用いられるロングパスフィルタの光透過率の波長特性を示し、グラフ（ｂ）は光共振器の光路上からロングパスフィルタが除去された状態（図３（ｂ））における光透過率の波長特性を示す。波長切替部（ロングパスフィルタ）５６は、グラフ（ａ）に示すように、波長８００ｎｍの光を例えば９９．８％という高い光透過率で透過させる一方、波長７５０ｎｍの光をほとんど透過させない。光共振器の光路上からロングパスフィルタが除去されたときは、光共振器の光路上に特に光を遮るものが存在しないので、波長７５０ｎｍの光も波長８００ｎｍの光も、ほぼそのまま（１００％）透過する。
光共振器内の全損失は、上記の光透過率をＴ（λ）、Ｒ１、Ｒ２をそれぞれミラー５３、５４の反射率、Ｌを光共振器の内部ロスとして、下記式で表わすことができる。
Ｌｏｓｓ（λ）＝｜−ｌｎＲ１Ｒ２Ｔ（λ）２＋Ｌ｜／２
光共振器の実効利得ｇｅｆｆは、アレキサンドライトの利得から光共振器内の全損失を引いたものとなる。
図６は、光共振器の実効利得を示す。図６において、グラフ（ａ）は光共振器の光路上に図５のグラフ（ａ）に示す波長特性のロングパスフィルタを挿入した場合の実効利得を表し、グラフ（ｂ）はロングパスフィルタが除去された場合の実効利得を表している。ロングパスフィルタが挿入されない場合（図３（ｂ））、図６にグラフ（ｂ）で示すように、実効利得は、アレキサンドライトのレーザ利得の波長特性（図４）と同様に、波長７５０ｎｍ付近で最大となる。レーザ発振は、実効利得＞０のポイント（波長、励起パワー）で起こる。励起パワーを増加していったとき、最初に実効利得が０よりも大きくなるのは、実効利得が最も高い波長７５０ｎｍである。従って、光共振器の光路上にロングパスフィルタが挿入されていないとき、光共振器は、実効利得の波長特性におけるピーク位置の波長７５０ｎｍで発振する。
一方、光共振器の光路上にロングパスフィルタが挿入される場合（図３（ａ））、ロングパスフィルタのカットオフ波長よりも短波長側では、光共振器内の損失が大きいために実効利得が低く、実効利得が最大となるのは、ロングパスフィルタが高い光透過率で光を透過させる波長８００ｎｍ付近となる。従って、ロングパスフィルタが挿入されているとき、光共振器は、実効利得の波長特性におけるピーク位置の波長８００ｎｍで発振する。
なお、上記では、光共振器の光路上にロングパスフィルタを挿入するか、光路上からロングパスフィルタを除去するかに応じて、発振波長を８００ｎｍと７５０ｎｍとの間で切り替えることとしたが、これには限定されない。例えば波長切替部５６が、ロングパスフィルタに加えて、少なくとも７５０ｎｍの波長の光を透過する光学部材を有し、出射されるレーザ光の波長が７５０ｎｍであるとき、その光学部材を光共振器の光路上に挿入するようにしてもよい。
図７は、波長切替部５６の変形例を示す。この例では、波長切替部５６は、回転変位に伴って、ロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入し、ロングパスフィルタを光共振器の光路上から除去するフィルタ回転体として構成される。波長切替部（フィルタ回転体）５６ａは、ロングパスフィルタが配置された第１の領域６１と、全波長帯域の光をほぼそのまま透過する光学部材が配置された第２の領域６２とを有する。例えば回転変位位置０°から１８０°までの領域がロングパスフィルタが配置された第１の領域６１に対応し、回転変位位置１８０°から３６０°までの領域が光学部材が配置された第２の領域６２に対応する。
フィルタ回転体５６ａは、例えば図示しないサーボモータの出力軸に取り付けられ、サーボモータの回転に従って回転駆動される。フィルタ回転体５６ａの回転変位は、サーボモータの出力軸に取り付けられたスリット入りの回転板と透過型フォトインタラプタとを含むロータリーエンコードを用いることで検出できる。例えば所定時間の間にロータリーエンコーダーで検出されるサーボモータの回転軸の回転変位量が所定の量に保たれるようにサーボモータに供給する電圧などを制御することで、フィルタ回転体５６ａを一定の速度で回転させることができる。フィルタ回転体５６ａを連続的に回転駆動することで、光共振器の上にロングパスフィルタと光学部材とを交互に挿入することができる。
上記の光学部材には、ガラスなどの光透過率が高い光学部材を用いることができる。光学部材には、少なくとも波長７５０ｎｍの光を反射しないような反射防止膜、例えば波長７００ｎｍ−８００ｎｍの範囲の光を反射しない反射防止膜が形成されていることが好ましい。第１の領域６１が光共振器の光路上に位置するとき、第１の領域６１に配置されたロングパスフィルタが波長８００ｎｍよりも短い波長帯域の光をカットすることで、波長８００ｎｍよりも短い波長帯域の光共振器の実効利得が低くなり、波長８００ｎｍのレーザ光を得ることができる。一方、第２の領域６２が光共振器の光路上に位置するとき、第２の領域６２は特に特定波長帯域の光をカットしないため、アレキサンドライトの利得係数が最大となる波長７５０ｎｍのレーザ光を得ることができる。
引き続き、動作手順について説明する。図８は、光音響計測装置１０の動作手順を示す。以下では、レーザ光源ユニット１３が第１の波長の光と第２の波長の光とをこの順で出射するものとして説明する。波長切替部５６は、波長８００ｎｍ以上の光を透過するロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入する（ステップＳ１）。波長切替部５６は、例えば図３（ａ）に示すように、ロングパスフィルタとして構成される波長切替部５６を光共振器の光路上に挿入する。あるいは、波長切替部５６が図６に示すようにロングパスフィルタが配置された第１の領域６１と、光学部材が配置された第２の領域６２とを有するフィルタ回転体５６ａとして構成されているとき、サーボモータなどにより、光共振器の光路上に第１の領域６１が挿入されるようにフィルタ回転体５６ａを回転駆動してもよい。
トリガ制御回路３０（図１）は、光音響信号の受信準備が整うと、第１の波長（８００ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＳ２）。レーザ光源ユニット１３のフラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、レーザロッド５１の励起が開始される（ステップＳ３）。
第１の単波長レーザ５７は、第１の波長のレーザ光をシード光として光共振器内に注入する（ステップＳ４）。トリガ制御回路３０は、フラッシュランプ５２の点灯後、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力し、Ｑスイッチ５５をオンにする（ステップＳ５）。Ｑスイッチ５５がオンになることで、光共振器が波長８００ｎｍでレーザ発振し、出力ミラー５４から波長８００ｎｍのパルスレーザ光が出射する。レーザ発振の際に、光共振器内に第１の波長のシード光が存在していることで、しきい値が例えば１０％から５０％程度低くなり、安定したＱスイッチ動作が可能となる。
なお、トリガ制御回路３０は、波長切替部５６が図６に示すようなフィルタ回転体で構成され、かつ、そのフィルタ回転体が連続的に回転駆動されている場合には、フィルタ回転体が第１の領域６１を光共振器の光路上に挿入しているタイミングでＱスイッチをＯＮにすればよい。また、第１の単波長レーザ５７がパルスレーザ光を出射するものである場合、第１の単波長レーザ５７は、Ｑスイッチがオンになるタイミングで、第１の波長のパルスレーザ光を出射すればよい。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長８００ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。
トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号を出力するタイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１で受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする（ステップＳ６）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第１の光音響データとして格納される。
波長切替部５６は、波長８００ｎｍのパルスレーザ光の出射後、ロングパスフィルタを光共振器の光路上から除去する（ステップＳ７）。波長切替部５６は、例えば図３（ｂ）に示すように、ロングパスフィルタとして構成される波長切替部５６を光共振器の光路外に移動させる。あるいは、波長切替部５６が図６に示すようにロングパスフィルタが配置された第１の領域６１と、光学部材が配置された第２の領域６２とを有するフィルタ回転体５６ａとして構成されているとき、サーボモータにより、光共振器の光路上に第２の領域６２が挿入されるようにフィルタ回転体５６ａを回転駆動してもよい。
トリガ制御回路３０は、光音響信号の受信準備が整うと、第２の波長（７５０ｎｍ）のパルスレーザ光を出射させるべく、レーザ光源ユニット１３にフラッシュランプトリガ信号を出力する（ステップＳ８）。レーザ光源ユニット１３のフラッシュランプ５２は、フラッシュランプトリガ信号に応答して点灯し、レーザロッド５１の励起が開始される（ステップＳ９）。
第２の単波長レーザ５８は、第２の波長のレーザ光をシード光として光共振器内に注入する（ステップＳ１０）。トリガ制御回路３０は、フラッシュランプ５２の点灯後、所定のタイミングでＱスイッチトリガ信号を出力し、Ｑスイッチ５５をオンにする（ステップＳ１１）。Ｑスイッチ５５がオンになることで、光共振器は波長７５０ｎｍで発振し、出力ミラー５４から波長７５０ｎｍのパルスレーザ光が出射する。レーザ発振の際に、光共振器内に第２の波長のシード光が存在していることで、しきい値が例えば１０％から５０％程度低くなり、安定したＱスイッチ動作が可能となる。
なお、トリガ制御回路３０は、波長切替部５６が図６に示すようなフィルタ回転体で構成され、かつ、そのフィルタ回転体が連続的に回転駆動されている場合には、フィルタ回転体が第２の領域６２を光共振器の光路上に挿入しているタイミングでＱスイッチをＯＮにすればよい。また、第２の単波長レーザ５８がパルスレーザ光を出射するものである場合、第２の単波長レーザ５８は、Ｑスイッチがオンになるタイミングで、第２の波長のパルスレーザ光を出射すればよい。
レーザ光源ユニット１３から出射した波長７５０ｎｍのパルスレーザ光は、例えばプローブ１１まで導光され、プローブ１１から被検体に照射される。被検体内では、光吸収体が照射されたパルスレーザ光のエネルギーを吸収することで、光音響信号が発生する。プローブ１１は、被検体内で発生した光音響信号を検出する。プローブ１１で検出された光音響信号は、受信回路２１にて受信される。
トリガ制御回路３０は、Ｑスイッチトリガ信号を出力するタイミングに合わせて、ＡＤ変換手段２２にサンプリングトリガ信号を出力する。ＡＤ変換手段２２は、受信回路２１で受信された光音響信号を、所定のサンプリング周期でサンプリングする（ステップＳ１２）。ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号は、受信メモリ２３に第２の光音響データとして格納される。第１及び第２の光音響データが受信メモリに格納されることで、１フレーム分の光音響画像の生成に必要なデータが揃う。なお、光音響画像を生成する範囲が複数の部分領域に分割されているような場合は、部分領域ごとに、ステップＳ１からＳ１２までの処理を実行すればよい。
複素数化手段２４は、受信メモリ２３から第１の光音響データと第２の光音響データとを読み出し、第１の光音響画像データを虚部とし、第２の光音響画像データを実部とした複素数データを生成する（ステップＳ１３）。光音響画像再構成手段２５は、ステップＳ１３で複素数化された複素数データから、フーリエ変換法（ＦＴＡ法）により画像再構成を行う（ステップＳ１４）。
位相情報抽出手段２６は、再構成された複素数データ（再構成画像）から位相情報を抽出する（ステップＳ１５）。位相情報抽出手段２６は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、θ＝ｔａｎ−１（Ｙ／Ｘ）を位相情報として抽出する（ただし、Ｘ＝０の場合はθ＝９０°）。強度情報抽出手段２７は、再構成された複素数データから強度情報を抽出する（ステップＳ１６）。強度情報抽出手段２７は、例えば再構成された複素数データがＸ＋ｉＹで表わされるとき、（Ｘ２＋Ｙ２）１／２を強度情報として抽出する。
検波・対数変換手段２８は、ステップＳ１６で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施す。光音響画像構築手段２９は、ステップＳ１５で抽出された位相情報と、ステップＳ１６で抽出された強度情報に対して検波・対数変換処理を施したものとに基づいて、光音響画像を生成する（ステップＳ１７）。光音響画像構築手段２９は、例えば強度情報に基づいて光吸収体の分布画像における各画素の輝度（階調値）を決定し、位相情報に基づいて各画素の色を決定することで、光音響画像を生成する。生成された光音響画像は、画像表示手段１４に表示される。
本実施形態のレーザ光源ユニット１３は、第１の波長の光と、第１の波長よりも波長が短い第２の波長の光とを出射可能である。本実施形態では、波長切替部５６が光共振器で発振する光の波長を第１の波長に制御するとき、第１の単波長レーザ５７から第１の波長のレーザ光をインジェクションシーディングし、波長切替部５６が光共振器で発振する光の波長を第２の波長に制御するとき、第２の単波長レーザ５８から第２の波長のレーザ光をインジェクションシーディングする。レーザ発振の際に、光共振器内にシード光が存在することで、レーザ発振のしきい値を下げることができ、双方の波長において、フリーラン（レーザシードなし）よりも早くレーザ発振させることができる。また、パルスレーザ光の波形の立ち上がりを急峻にすることができ、レーザ発振の際のジッタを低減することができる。そのようなレーザ光源ユニット１３から被検体に対する光照射を行うことで、光音響イメージングにおいて、光音響画像の画質を向上できる。また、本実施形態では、フラッシュランプ５２からレーザロッド５１に照射する励起光の強度を上げる必要がないことから、フラッシュランプ５２に大電流を供給する必要がなく、システムとして電源容量を下げることができる。
本実施形態では、第２の波長におけるレーザ利得係数は、第１波長における利得係数よりも高い。逆にいえば、第１の波長におけるレーザ利得係数は、第２の波長におけるレーザ利得係数よりも低い。波長切替部５６は、第１の波長以上の波長の光を透過するロングパスフィルタを含んでおり、出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるとき、光共振器の光路上にロングパスフィルタを挿入する。光共振器の光路上にロングパスフィルタが挿入されることで、光共振器の第２の波長における実効利得が低下する。第２の波長から第１の波長にかけて、波長が長くなるに連れてレーザ利得が小さくなっても、ロングパスフィルタが挿入された状態において光共振器の実効利得が最も高くなるのは第１の波長となり、光共振器を第１の波長で発振させて、第１の波長のレーザ光を得ることができる。
一方、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるとき、波長切替部５６はロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入しない。この場合、レーザ利得の波長特性においてレーザ利得が第２の波長で最大値をとれば、光共振器を第２の波長で発振させることができ、第２の波長のレーザ光を得ることができる。このように、ロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入するかしないかに応じて、レーザ光の波長を切り替えることができる。一般に、ロングパスフィルタは、バンドパスフィルタに比して光透過率が高く、レーザ効率を低くすることなく、波長の切り替えが可能である。また、ロングパスフィルタは、より安価に製造でき、構成も簡単である。このため、ｑｕａｒｔｚ製の複屈折フィルタを用いる場合に比べて、コストを低減できる。
また、本実施形態では、２つの波長で得られた第１の光音響データと、第２の光音響データとの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成し、その複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成している。このようにする場合、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成する場合に比して、再構成を効率的に行うことができる。複数の波長のパルスレーザ光を照射し、各波長のパルスレーザ光を照射したときの光音響信号（光音響データ）を用いることで、各光吸収体の光吸収特性が波長に応じて異なることを利用した機能イメージングを行うことができる。
なお、上記では、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるとき、光共振器の光路上にロングパスフィルタを挿入せず、光共振器を波長７５０ｎｍ付近で自然発振（フリーランニング）させることとしたが、これには限定されない。波長切替部５６（図２）が、第１の波長以上の光を透過させるロングパスフィルタ（第１のロングパスフィルタ）に加えて、第２の波長以上の波長の光を透過させる第２のロングパスフィルタを有する構成とし、出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるときは光共振器の光路上に第１のロングパスフィルタを挿入し、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるときは光共振器の光路上に第２のロングパスフィルタを挿入するようにしてもよい。
図９は、波長切替部の別の構成例を示す。この例では、波長切替部は、回転変位に伴って、第１又は第２のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入するフィルタ回転体として構成される。波長切替部（フィルタ回転体）５６ｂは、第１のロングパスフィルタが配置された第１の領域７１と、第２のロングパスフィルタが配置された第２の領域７２とを有する。例えば回転変位位置０°から１８０°までの領域が第１のロングパスフィルタが配置された第１の領域７１に対応し、回転変位位置１８０°から３６０°までの領域が第２のロングパスフィルタが配置された第２の領域７２に対応する。このようなフィルタフィルタ回転体５６ｂを連続的に回転させることで、光共振器の光路上に第１のロングパスフィルタと第２のロングパスフィルタとを交互に挿入させることができる。
図１０は、第１及び第２のロングパスフィルタの光透過率の波長特性を示す。同図において、グラフ（ａ）は第１のロングパスフィルタの光透過率の波長特性を示し、グラフ（ｂ）は第２のロングパスフィルタの光透過率の波長特性を示す。図１０にグラフ（ａ）で示す第１のロングパスフィルタの光透過率の波長特性は、第１実施形態で説明したものと同様である（図５のグラフ（ａ））。第２のロングパスフィルタは、グラフ（ｂ）に示すように、波長７５０ｎｍの光を例えば９９．８％という高い光透過率で透過させる一方、それよりも短い波長域の光をほとんど透過させない。第２のロングパスフィルタは、波長７５０ｎｍ付近において、波長が７５０ｎｍよりも短い波長範囲では全透過（光透過率ほぼ１００％）と呼べるほど光透過率が高くなく、波長が７５０ｎｍになると初めて光がほぼ全透過すると言えるような波長特性となるような光透過率の波長特性を有する。
図１１は、光共振器の実効利得を示す。図６において、グラフ（ａ）は光共振器の光路上に図１０のグラフ（ａ）に示す波長特性の第１のロングパスフィルタを挿入した場合の実効利得を表し、グラフ（ｂ）は図１０のグラフ（ｂ）に示す波長特性の第２のロングパスフィルタを挿入した場合の実効利得を表す。光共振器の光路上に第１のロングパスフィルタが挿入される場合の光共振器の実効利得の波長特性は、第１実施形態で説明したものと同様であり、グラフ（ａ）に示すように、第１のロングパスフィルタが初めて高い光透過率で光を透過させる波長８００ｎｍで実効利得が最大となる。
光共振器の光路上に第２のロングパスフィルタが挿入された場合、第２のロングパスフィルタのカットオフ波長よりも短波長側では、光共振器内の損失が大きいために、図１１中に破線で示すフィルタが挿入されない場合の光共振器の実行効率に比して、実効利得が低くなる。波長７５０ｎｍよりも長波長側では、第２のロングパスフィルタの光透過率が例えば９９．８％と高いことから、フィルタが挿入されない場合の光共振器の実行効率とほぼ同じになる。第２のロングパスフィルタが光共振器の光路上に挿入される場合、光共振器の実効利得が最大となるのは、第２のロングパスフィルタが高い光透過率で光を透過させる波長７５０ｎｍ付近となる。
アレキサンドライト結晶は、温度変化などでレーザ利得に変化が生じ、７５０ｎｍの発振中心波長が数ｎｍ程度変化することがある。例えば光音響などの波長の精度が重要な用途では、数ｎｍの波長の変動により信号品質が劣化することがあり、好ましくない。出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるとき、第２のロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入することで、光共振器の実効利得が最大となる波長を第２のロングパスフィルタの光透過率の波長特性に応じて規定することができ、レーザ発振の際の発振波長を制御することができる。このように第２のロングパスフィルタを用いて発振波長を規定することで、第２の波長で自然発振させる場合に比して、波長安定性を高めることができる。
ここで、第１の波長（８００ｎｍ）と第２の波長（７５０ｎｍ）とでは、図４に示したようにレーザの利得値に大きな差がある。この場合、第１の波長と第２の波長とに対する出力ミラー５４の反射率が同じであると、第１の波長と第２の波長の間で出力に大きなアンバランスが生じる。例えば、アレキサンドライトレーザの波長７５０ｎｍでよく用いられる反射率７０％のミラーを用いた場合、第１の波長（７５０ｎｍ）では出力を最適化できるが、第２の波長（８００ｎｍ）では出力が著しく低下するか、或いは発振しないことがある。出力ミラー５４の反射率を９０％にすれば、波長８００ｎｍでは出力を最適化できるものの、今度は波長７５０ｎｍでは出力が出にくくなる。
上記観点から、出力ミラー５４の反射率に波長依存性を持たせ、それぞれの波長において反射率を最適化することが好ましい。図１２は、出力ミラーの反射率の波長特性を示す。第１の波長におけるレーザ利得が、第２の波長におけるレーザ利得よりも低いことから、出力ミラー５４の第１の波長の光に対する反射率は、第２の波長の光に対する反射率よりも高く設定する。具体的には、レーザロッド５１にアレキサンドライト結晶を用いた場合、図１２に示すような、波長８００ｎｍの光に対する反射率が９０％で、波長７５０ｎｍの光に対する反射率が７０％となるような波長特性を持つミラーを用いればよい。出力ミラー５４にこのような波長特性を持たせることで、双方の波長において、出力を最適化できる。
なお、上記のように出力ミラー５４の反射率を各波長において最適な出力が得られるように設定すると、第１の波長と第２の波長とではレーザ利得に大きな差があることから、第１の波長と第２の波長とで、レーザ光の出力強度（レーザパワー）に大きな差が生じる。波長間でレーザパワーに差が生じると、各波長に対応した光音響信号間の差分を取る際にレーザパワーの差を補正する必要が生じるなど、不都合が生じる。
各波長のレーザパワーを揃えるために、第１の波長に対する光共振器の実効利得と、第２の波長に対する光共振器の実効利得とが同じになるように、出力ミラー５４の第１の波長の光に対する反射率と第２の波長の光に対する反射率とを選定しておくとよい。例えばレーザ利得が低い８００ｎｍで最適条件となるように、出力ミラー５４の波長８００ｎｍの光に対する反射率を最適条件である９０％に設定する一方、波長７５０ｎｍの光に対する反射率は最適条件である反射率７０％よりも低い反射率に設定する。この場合、波長７５０ｎｍでは最適条件から外れるが、波長７５０ｎｍにおけるレーザ利得はもともと高いので、出力ミラー５４の反射率が最適条件から外れたとしても、レーザ発振には問題がない。出力ミラー５４の反射率を上記のように設定することで、双方の波長のレーザ光の光強度を揃えることができる。
次いで、本発明の第２実施形態を説明する。図１３は、本発明の第２実施形態のレーザ装置を示す。図２に示す第１実施形態のレーザ個装置（レーザ光源ユニット）との違いは、第２の単波長レーザ５８とダイクロイックミラー５９とが省略されている点である。その他の点は、第１実施形態と同じでよい。
本実施形態では、波長切替部５６が光共振器で発振する光の波長を第１の波長に制御するとき、単波長レーザ５７から出射した第１の波長のレーザ光を、シード光として光共振器に注入する。一方、波長切替部５６が光共振器で発振する光の波長を第２の波長に制御するとき、シード光の注入は行わずに、光共振器をフリーランで発振させる。
本実施形態では、特にレーザ利得が低い第１の波長においてインジェクションシーディングを行う。第１の波長においてインジェクションシーディングを行うことでしきい値が下がり、第１の波長のパルスレーザ光について立ち上がりのジッタを抑制できる。第２の波長に関しては自然発振となるが、第２の波長におけるレーザ利得は第１の波長におけるレーザ利得に比して高いため、自然発振でも問題がない。本実施形態では、単波長レーザを１つ省略できる分だけ、低コスト化が可能である。
引き続き、本発明の第３実施形態を説明する。図１４は、本発明の第３実施形態の光音響計測装置を示す。本実施形態の光音響計測装置１０ａは、超音波ユニット１２ａが、図１に示す第１実施形態の光音響計測装置１０における超音波ユニット１２の構成に加えて、データ分離手段３２、超音波画像再構成手段３３、検波・対数変換手段３４、超音波画像構築手段３５、画像合成手段３６、及び送信制御回路３７を有する。本実施形態の光音響計測装置１０は、光音響画像に加えて、超音波画像を生成する点で第１又は第２実施形態と相違する。その他の部分は、第１又は第２実施形態と同様でよい。
本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する音響波（超音波）の送信、及び送信した超音波に対する被検体からの反射音響波（反射超音波）の検出（受信）を行う。トリガ制御回路３０は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３７に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３７は、トリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路３０は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリングデータ（反射超音波データ）を受信メモリ２３に格納する。
データ分離手段３２は、受信メモリ２３に格納された反射超音波データと、第１及び第２の光音響データとを分離する。データ分離手段３２は、反射超音波データを超音波画像再構成手段３３に渡し、第１及び第２の光音響データを複素数化手段２４に渡す。第１及び第２の光音響データに基づく光音響画像の生成は第１実施形態と同様である。データ分離手段３２は、分離した反射超音波のサンプリングデータを、超音波画像再構成手段３３に入力する。
超音波画像再構成手段３３は、プローブ１１の複数の超音波振動子で検出された反射超音波（そのサンプリングデータ）に基づいて、超音波画像（反射音響波画像）の各ラインのデータを生成する。超音波画像再構成手段３３は、例えばプローブ１１の６４個の超音波振動子からのデータを、超音波振動子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。
検波・対数変換手段３４は、超音波画像再構成手段３３が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。超音波画像構築手段３５は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像再構成手段３３、検波・対数変換手段３４、及び超音波画像構築手段３５は、反射超音波に基づいて超音波画像を生成する超音波画像生成手段を構成する。
画像合成手段３６は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３６は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。その際、画像合成手段３６は、光音響画像と超音波画像とで、対応点が同一の位置となるように位置合わせをすることが好ましい。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えてすることも可能である。
本実施形態では、光音響計測装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。その他の効果は、第１又は第２実施形態と同様である。
なお、上記各実施形態では、第１の光音響データと第２の光音響データとを複素数化する例について説明したが、複素数化せずに、第１の光音響データと第２の光音響データとを別々に再構成してもよい。さらに、ここでは、複素数化して位相情報を用いて第１の光音響データと第２の光音響データの比を計算しているが、両者の強度情報から比を計算しても同様の効果が得られるまた、強度情報は、第１の再構成画像における信号強度と、第２の再構成画像における信号強度とに基づいて生成できる。
光音響画像の生成に際して、被検体に照射されるパルスレーザ光の波長の数は２つには限られず、３以上のパルスレーザ光を被検体に照射し、各波長に対応する光音響データに基づいて光音響画像を生成してもよい。その場合、例えば位相情報抽出手段２６は、各波長に対応する光音響データ間での相対的な信号強度の大小関係を位相情報として生成すればよい。また、強度情報抽出手段２７は、例えば各波長に対応する光音響データにおける信号強度を１つにまとめたものを強度情報として生成すればよい。
上記各実施形態では、主に第１の波長が８００ｎｍで第２の波長が７５０ｎｍである例を説明したが、これら波長はレーザ発振が可能な波長帯域の中にあればよく、波長８００ｎｍと波長７５０ｎｍの組み合わせには限定されない。また、第２の波長は、レーザ利得が最大値となる波長には限定されない。例えば第１の波長を８００ｎｍとしたとき、利得が最大となる波長７５０ｎｍから波長８００ｎｍまでの間の任意の波長を第２の波長として選定してもよい。その場合は、第２の波長として選定した波長以上の光とを透過するロングパスフィルタを光共振器の光路上に挿入して、レーザ発振波長を第２の波長に制御するようにすればよい。
上記各実施形態では、主にアレキサンドライトレーザについて説明したが、レーザロッド５１（図２）に用いられるレーザ媒質はアレキサンドライトには限定されない。例えばＣｒ：ＬｉＳＡＦやＣｒ：ＬｉＣＡＦなどは７５０−９００ｎｍの波長範囲でレーザ発振が可能であり、レーザロッド５１に、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦやＣｒ：ＬｉＣＡＦなどを用いてもよい。また、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅは７００−１０００ｎｍの波長範囲でレーザ発振が可能であり、レーザロッド５１にＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅを用いてよい。
上記各実施形態では、波長切替部５６にロングパスフィルタを用いる例を説明したが、これには限定されない。例えば波長切替部５６に、回転変位位置に応じて透過する光の波長が変化する複屈折フィルタを用いることも可能である。その場合、例えば複屈折フィルタを連続的に回転させ、フラッシュランプ５２の点灯後、複屈折フィルタの回転変位位置が第１の波長に対応した位置となるタイミングで光共振器内に挿入されたＱスイッチ５５をオンにすることで、第１の波長のパルスレーザ光を得ることができる。また、複屈折フィルタの回転変位位置が第２の波長に対応した位置となるタイミングで光共振器内に挿入されたＱスイッチ５５をオンにすることで、第２の波長のパルスレーザ光を得ることができる。
また、波長切替部５６が、ロングパスフィルタに代えてバンドパスフィルタを有する構成とすることも可能である。例えば、波長切替部５６は、出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるとき、図３（ａ）と同様に、第１の波長の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを光共振器の光路上に挿入する。一方、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるときは、図３（ｂ）と同様に、光共振器の光路上からロングパスフィルタを除去する。光共振器の光路上にバンドパスフィルタを挿入するか、しないかに応じて、レーザ光源ユニット１３から出射するレーザ光の波長を、第１の波長と第２の波長との間で切り替えることができる。また、波長切替部５６が図７に示すようなフィルタ回転体で構成されるときは、第１の領域６１にバンドパスフィルタを配置すればよい。そのようなフィルタ回転体を連続的に回転駆動することで、光共振器の光路上にバンドパスフィルタと、光を透過させる光学部材とを交互に挿入することができる。
上記では、バンドパスフィルタを挿入するか、しないかに応じてレーザ光の波長を切り替えることとしたが、２つのバンドパスフィルタを光共振器の光路上に切り替えて挿入することとしてもよい。例えば波長切替部５６は、第１の波長の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ（第１のバンドパスフィルタ）に加えて、第２の波長の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ（第２のバンドパスフィルタ）を有する。波長切替部５６は、出射されるレーザ光の波長が第１の波長であるとき、第１のバンドパスフィルタを光共振器の光路上に挿入し、出射されるレーザ光の波長が第２の波長であるとき、第２のバンドパスフィルタを光共振器の光路上に挿入する。この場合も、光共振器の光路上に挿入されるバンドパスフィルタの透過帯域に応じて、レーザ光源ユニット１３から出射するレーザ光の波長を、第１の波長と第２の波長との間で切り替えることができる。
また、波長切替部５６が図９に示すようなフィルタ回転体で構成されるときは、第１の領域７１に第１のバンドパスフィルタを配置し、第２の領域７２に第２のバンドパスフィルタを配置すればよい。そのようなフィルタ回転体を連続的に回転させることで、光共振器の光路上に第１のバンドパスフィルタと第２のバンドパスフィルタとを交互に挿入することができる。
上記各実施形態では、レーザ装置が光音響計測装置の一部を構成する例について説明したが、これには限定されない。本発明のレーザ装置を、光音響計測装置とは異なる装置に用いることも可能である。レーザ装置がパルスレーザ光を出射しないものである場合、Ｑスイッチ５５（図２）は省略することができる。
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置及び光音響計測装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
１０：光音響計測装置
１１：プローブ
１２：超音波ユニット
１３：レーザ光源ユニット
１４：画像表示手段
２１：受信回路
２２：ＡＤ変換手段
２３：受信メモリ
２４：複素数化手段
２５：光音響画像再構成手段
２６：位相情報抽出手段
２７：強度情報抽出手段
２８：検波・対数変換手段
２９：光音響画像構築手段
３０：トリガ制御回路
３１：制御手段
３２：データ分離手段
３３：超音波画像再構成手段
３４：検波・対数変換手段
３５：超音波画像構築手段
３６：画像合成手段
３７：送信制御回路
５１：レーザロッド
５２：フラッシュランプ
５３、５４：ミラー
５５：Ｑスイッチ
５６：波長切替部
５７、５８：単波長レーザ
５９：ダイクロイックミラー
６０：ビームスプリッタ
６１：フラッシュランプ電源回路

Claims (12)

  1. 第１の波長の光と、前記第１の波長よりも波長が短く、かつ、レーザ利得係数の波長特性において、第１の波長におけるレーザ利得係数よりもレーザ利得係数が高い第２の波長の光と、を切り替えて出射可能なレーザ装置であって、
    レーザ媒質と、
    前記レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、
    前記レーザ媒質を挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、
    前記光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御するための波長切替部と、
    前記波長切替部が第１の波長で発振させるように前記光共振器を制御する場合に、前記光共振器に前記第１の波長の光をインジェクションシーディングする第１の単波長レーザと、
    を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記波長切替部が第２の波長で発振させるように前記光共振器を制御する場合に、前記光共振器に前記第２の波長の光をインジェクションシーディングする第２の単波長レーザを更に備える請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記波長切替部が、前記第１の波長以上の波長の光を透過させる第１のロングパスフィルタを含み、かつ出射されるレーザ光の波長が第１の波長である場合、前記第１のロングパスフィルタを前記光共振器の光路上に挿入する請求項１又は２に記載のレーザ装置。
  4. 前記波長切替部が、前記第２の波長以上の波長の光を透過させる第２のロングパスフィルタを更に含み、かつ出射されるレーザ光の波長が第２の波長である場合、前記第２のロングパスフィルタを前記光共振器の光路上に挿入する請求項３に記載のレーザ装置。
  5. 前記波長切替部が、前記光共振器の光路上に配置され、かつ回転変位に伴って透過光の波長を変化させる複屈折フィルタを含む請求項１又は２に記載のレーザ装置。
  6. 前記波長切替部が、第１の波長の光を選択的に透過させる第１のバンドパスフィルタを含み、かつ出射されるレーザ光の波長が第１の波長である場合、前記第１のバンドパスフィルタを前記光共振器の光路上に挿入する請求項１又は２に記載のレーザ装置。
  7. 前記波長切替部が、第２の波長の光を選択的に透過させる第２のバンドパスフィルタを更に含み、かつ出射されるレーザ光の波長が第２の波長である場合、前記第２のロングパスフィルタを前記光共振器の光路上に挿入する請求項６に記載のレーザ装置。
  8. 前記光共振器の光路上に配置されたＱスイッチを更に備える請求項１から７何れかに記載のレーザ装置。
  9. 第１の波長の光と、前記第１の波長よりも波長が短く、かつ、レーザ利得係数の波長特性において、第１の波長におけるレーザ利得係数よりもレーザ利得係数が高い第２の波長の光とを出射可能なレーザ装置であって、レーザ媒質と、該レーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、前記レーザ媒質を挟んで対向する一対のミラーを含む光共振器と、該光共振器で発振する光の波長を第１の波長又は第２の波長に制御するための波長切替部と、該波長切替部が第１の波長で発振させるように前記光共振器を制御している場合に、前記光共振器に前記第１の波長の光をインジェクションシーディングする第１の単波長レーザとを有するレーザ装置と、
    前記第１の波長及び第２の波長のレーザ光が被検体に照射されたときに被検体内で生じた光音響信号を検出し、前記第１の波長及び第２の波長のそれぞれに対応した第１の光音響データ及び第２の光音響データを生成する検出手段と、
    前記第１の光音響データ及び第２の光音響データ間の相対的な信号強度の大小関係を抽出する強度比抽出手段と、
    を備えることを特徴とする光音響計測装置。
  10. 前記第１の光音響データ及び第２の光音響データに基づいて光音響画像を生成する光音響画像構築手段を更に備える請求項９に記載の光音響計測装置。
  11. 前記第１の光音響データ及び第２の光音響データに基づいて信号強度を示す強度情報を生成する強度情報抽出手段を更に備え、
    前記光音響画像構築手段が、前記光音響画像の各画素の階調値を前記強度情報に基づいて決定すると共に、各画素の表示色を前記抽出された大小関係に基づいて決定する請求項１０に記載の光音響計測装置。
  12. 前記第１の光音響データと前記第２の光音響データとのうちの何れか一方を実部、他方を虚部とした複素数データを生成する複素数化手段と、前記複素数データからフーリエ変換法により再構成画像を生成する光音響画像再構成手段とを更に備え、
    前記強度比抽出手段が前記再構成画像から前記大小関係としての位相情報を抽出し、前記強度情報抽出手段が前記再構成画像から前記強度情報を抽出する請求項１１に記載の光音響計測装置。
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