JP2017035407A - 光音響センサー及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源部が照射する光に基づく信号の周波数特性と、センサー部の周波数特性との関係を考慮することで、高感度での検出を行う光音響センサー及び電子機器等を提供すること。【解決手段】 光音響センサー１０は、対象物に２０対して光を照射する光源部１００と、光によって対象物２０から発生した光音響信号を受信するセンサー部２００と、を含み、光源部１００の光の出力信号の微分値の周波数帯域が、センサー部２００の受信感度周波数帯域に対応する帯域となっている。【選択図】 図５

Description

本発明は、光音響センサー及び電子機器等に関する。

従来、光音響効果を利用したセンシング装置が知られている。特に、近年のレーザーの進歩に伴い、光音響効果を利用したイメージング装置が医療分野で盛んに研究されてきている。従来では造影ＣＴやＭＲＩ、ＰＥＴといった非常に高価で、大掛りな医療イメージング装置でしか実現されてこなかったFunctional imagingが、この光音響イメージングで可能になりつつある。このFunctional imagingとは、単純Ｘ線や超音波といった信号を基に画像化した解剖学的なイメージングではなく、代謝情報や成分等を画像化する機能的なイメージングを指す。

例えば、特許文献１では検出した光音響信号をデコンボリューション（逆たたみ込み）することで、実用的な装置において吸収分布画像（光音響画像）を生成する手法が開示されている。

また、イメージング装置以外の装置に光音響効果を利用する手法も知られている。例えば特許文献２では、成分濃度測定において光音響効果を利用する手法が開示されている。

特開２０１３−１２８７５８号公報 特開２０１４−５０５６３号公報

しかしながら、生体に照射してよい光強度が定められていることもあり、光音響効果を利用した手法では信号強度が非常に微弱である。そのため、従来のイメージング装置は、固体レーザーをベースとした光源部等を用いて実験レベルで実現されつつある状況である。

また、光源部やセンサー部をどのような構成とするにせよ、光出力信号により発生した光音響信号を効率よくセンシングする（センシングの感度を高くする）ことが非常に重要である。しかし、特許文献１は、光音響信号がコンボリューションによる（たたみ込みが行われた）信号である場合において、デコンボリューションを行うことで適切な信号を出力しようとするものであり、センシング感度を考慮したものではない。

また、特許文献２は成分濃度測定を想定しており、イメージング装置ではない上に、センシング感度を考慮したものではない。

本発明の幾つかの態様によれば、光源部が照射する光に基づく信号の周波数特性と、センサー部の周波数特性との関係を考慮することで、高感度での検出を行う光音響センサー及び電子機器等を提供できる。

本発明の一態様は、対象物に対して光を照射する光源部と、前記光によって前記対象物から発生した光音響信号を受信するセンサー部と、を含み、前記光源部の光の出力信号の微分値の周波数帯域が、前記センサー部の受信感度周波数帯域に対応する帯域となっている光音響センサーに関係する。

本発明の一態様では、光源部の光の出力信号の微分値の周波数帯域と、センサー部の受信感度周波数帯域とが対応したものとなる。光の出力信号の微分値の周波数帯域は、当該光により対象物で発生する光音響信号に関係することから、光音響信号とセンサー部の受信感度周波数帯域とを対応させることができ、高感度での検出を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光源部は、パルス信号を出力するパルス信号出力部と、前記パルス信号に対してフィルター処理を行うフィルター回路と、を有し、前記フィルター回路の周波数特性により、前記光の出力信号の微分値の周波数帯域が、前記センサー部の前記受信感度周波数帯域に対応する帯域に設定されてもよい。

これにより、光の出力信号の微分値の周波数帯域を、フィルター回路の周波数特性により設定すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記フィルター回路は、フィルター共振周波数において、ゲインが１より大きい前記周波数特性を有してもよい。

これにより、少なくともフィルター共振周波数の成分を増幅することができるため、光源部から特定の周波数帯域を強調（増幅）した光を出力すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光の出力信号の微分値の周波数帯域は、前記フィルター回路の前記フィルター共振周波数によって設定されてもよい。

これにより、フィルター回路のフィルター共振周波数に基づいて、光の出力信号の微分値の周波数帯域を設定することが可能になる。

また、本発明の一態様では、前記センサー部は、前記光音響信号である超音波信号を受信する超音波センサーを有し、前記センサー部の前記受信感度周波数帯域は、前記超音波センサーの共振周波数を含む帯域であってもよい。

これにより、超音波センサーをセンサー部として利用すること、及び当該超音波センサーの共振周波数により、受信感度周波数帯域を設定することが可能になる。

また、本発明の一態様では、前記フィルター共振周波数は、前記超音波センサーの前記共振周波数に比べて高い周波数であってもよい。

これにより、光の出力信号の微分値の周波数帯域を設定するフィルター共振周波数を、センサー部の受信感度周波数帯域を設定する共振周波数よりも高くすることができる。そのため、対象物で発生した光音響信号（超音波）が、センサー部まで伝搬する際の減衰で生じる周波数帯域の変化に対応すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記パルス信号出力部は、前記フィルター共振周波数に対応する共振周期の１／２に対応する長さをパルス幅とする前記パルス信号を出力してもよい。

これにより、フィルター回路から所望の信号を出力するに当たり、当該フィルター回路に対して効率的な入力を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光源部は、半導体レーザーを有し、発振時における前記半導体レーザーのインピーダンスは、前記フィルター共振周波数における前記フィルター回路のキャパシターのインピーダンスに比べて大きくてもよい。

これにより、半導体レーザーを有する光源部を利用すること、及び当該半導体レーザーのインピーダンスと、フィルター回路のキャパシターのインピーダンスとの関係を適切に設定すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記半導体レーザーは、複数のレーザーユニットを有し、前記フィルター回路の出力ノードと電源ノードとの間に、前記複数のレーザーユニットのうちの少なくとも２つのレーザーユニットが、直列に接続されてもよい。

これにより、半導体レーザーが複数のレーザーユニットを有する場合にも、半導体レーザー全体としてのインピーダンスを、フィルター回路のキャパシターのインピーダンスに比べて大きくするという条件を満たしやすくすること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記フィルター回路は、ＬＣ共振フィルター回路であってもよい。

これにより、ＬＣ共振フィルター回路により本実施形態のフィルター回路を実現すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光源部は、半導体レーザーを有し、前記センサー部は、圧電素子とダイアフラムとを含む超音波センサーを有してもよい。

これにより、半導体レーザーと、特定の周波数において他の周波数に比べて高い感度を有する共振型のセンサー部と、を組み合わせることができ、効率的に高感度での検出を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記光の出力信号の微分値の周波数帯域は、前記センサー部の前記受信感度周波数帯域に比べて高い帯域であってもよい。

これにより、周波数帯域に差を設けることで、対象物で発生した光音響信号（超音波）が、センサー部まで伝搬する際の減衰で生じる周波数帯域の変化に対応すること等が可能になる。

また、本発明の他の態様は、上記の光音響センサーを含む電子機器に関係する。

固体レーザーの光出力信号の例。 固体レーザーの光出力信号の微分値の例。 固体レーザーの光出力信号の微分値の周波数特性の例。 センサー感度の周波数特性。 光音響センサーの構成例。 本実施形態の手法を説明する模式図。 光音響センサーの詳細な構成例。 光音響効果の説明図。 対象物の吸収波長の光パルスを選択的に照射する手法の説明図。 光音響センサーの詳細な構成例。 超音波センサーの構成例。 超音波センサーの構成例。 超音波センサーの構成例。 電子機器の構成例 パルス信号出力部の構成例。 フィルター回路の構成例。 フィルター回路の周波数特性の例。 半導体レーザーの等価回路。 等価回路を用いたフィルター回路と半導体レーザーの回路構成例。 フィルター回路のキャパシターのインピーダンスが半導体レーザーの抵抗値に比べて大きい場合のフィルター回路の周波数特性の例。 電圧増幅部、フィルター回路、半導体レーザーの接続例。 インピーダンスの大小関係とフィルター回路の周波数特性の関係図。 インピーダンスの大小関係とフィルター回路の周波数特性の関係図。 レーザーユニットを並列接続した場合の等価回路の例。 １つのレーザーユニットを接続した場合のフィルター回路の周波数特性の例。 ２つのレーザーユニットを並列接続した場合のフィルター回路の周波数特性の例。 レーザーユニットを直列接続した場合の等価回路の例。 パルス幅の差異によるフィルター処理後の波形（光出力信号）の差異を説明する図。 フィルター処理後の波形の微分値（光出力信号の微分値）の例。 伝搬距離と光音響信号の低周波側へのシフト量の関係を説明する図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．本実施形態の手法
光音響自体の発見は非常に古いものである。短いパルス幅の光を対象物に照射することで、対象物は光吸収量、比熱、体積膨張率等の特性に応じて膨張し、その膨張の際に圧力が発生するため、当該圧力により光音響信号（音響波）が生じる。つまり、短いパルス幅の光（パルスレーザー）の照射と、当該光に基づく光音響信号の検出を行うことで、光音響効果を利用した対象物のセンシングを行うことが可能になる。光音響効果については後述する。

しかし、光音響効果を利用した装置では、種々の要因によりセンシング感度（検出信号の強度）を高くすることが容易でない。例えば、光は対象物内部（狭義には生体内）での散乱の影響が非常に大きいことが知られている。そのため、生体の比較的深い位置まで観察対象とするようなイメージング装置では、対象物に到達するまでの光の減衰度合いが大きく、高感度での観察が困難である。

後述するように、対象物で発生する光音響信号は、対象物で吸収される光の強度に比例するため、光源部が照射する光強度が強ければ、発生する光音響信号の強度も大きくできる。しかし、観察対象が生体であれば、当該生体の損傷を抑止するために国際規格により照射可能な強度が制限される。例えば、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）のレーザー規格であるＩＥＣ６０８２５等で規格化がされている。

従来見られるイメージング装置では、このような規格等による制限の中で、できるだけ高出力な光源部を用いることで、対象の観察を試みている。例えば、マンモグラフィーに用いられるイメージング装置が研究されているが、マンモグラフィーでは乳房内の皮膚に近い浅い位置から、深い位置まで、腫瘍（癌）の有無を判定できなくてはならない。つまり、深い位置にあり、光散乱による信号強度の減衰度合いが大きい領域を対象としても充分な信号強度を確保する必要があり、光源部は高出力であることが求められる。具体的には、光源部として固体レーザーを含むものが用いられる。

固体レーザーでは一般的に光出力信号（光出力の時間変化を表す信号、波形）は図１に示したようにガウシアン形状となることが知られている。なお、図１ではパルス幅が２０ｎｓｅｃのガウシアン波形を示している。後述するように、所与の条件が満たされる理想的な状況では、光音響信号は光出力信号の微分値に比例する信号となるため、図１のガウシアン形状の光出力信号の場合、発生する光音響信号の時間変化は図２の波形に比例したものになる。図２は図１の微分値の波形である。

図２の信号をＦＦＴしたものが図３のＡ１である。図３の横軸が周波数（Ｈｚ）、縦軸が強度（ピークでの強度を１に正規化）を表し、図３は発生する光音響信号の周波数特性であると考えてよい。Ａ１からわかるように、ガウシアン形状の光出力信号の場合、対象物で発生する光音響信号は広帯域となる。例えば、ピークに対する相対強度が０．８以上となる周波数帯域は約２０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚとなる。つまり、固体レーザーを用いた場合、発生する光音響信号は数十ＭＨｚ程度のオーダーの範囲で充分な強度を有する広帯域での信号となる。

また、図３のＡ２〜Ａ４は光音響信号のパルス幅を変化させた場合の周波数特性を表し、Ａ１がパルス幅が２０ｎｓｅｃの場合の周波数特性であり、Ａ２が１０ｎｓｅｃ、Ａ３が５０ｎｓｅｃ、Ａ４が１００ｎｓｅｃの場合の周波数特性である。図３からわかるように、パルス幅に応じて発生する光音響信号の特性が変化するが、いずれにせよ、ガウシアン形状の光出力信号を用いた場合、光音響信号はＭＨｚ〜数十ＭＨｚ程度の周波数帯域で充分な信号強度を有する広帯域信号となる。

光音響信号（超音波）は、図３０を用いて後述するようにセンサー部に到達するまでの間に減衰し、ピークの周波数が低周波側にシフトすることになる。そして、そのシフト量は伝搬距離に依存する。そのため、上述したマンモグラフィーの例のように浅い領域から深い領域までを観察対象とした場合、発生した光音響信号の低周波側へのシフト量も小さいものから大きいものまで考慮しなくてはならない。

結果として、光音響効果を利用した従来のイメージング装置では、センサー部は広帯域の信号（超音波信号）を受信可能であることが求められる。そのため、一例としてはＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）等の広帯域に感度を有するセンサーが用いられる。図４のＢ１がＰＶＤＦを用いた場合のセンサー感度の周波数特性を表す。図４からわかるように、ＰＶＤＦを用いることで広帯域に感度を有するセンサー部を実現できるため、上述の例のようにセンサー部に到達する信号の帯域が広い場合にも適切なセンシングが可能となる。

しかし、このような光源部とセンサー部との組み合わせにはいくつか問題点がある。第１に固体レーザーは高出力が可能な反面、サイズが非常に大きく、高価である。そのため、イメージング装置全体も非常に大型になるため、移動が難しく、作業性が悪い。さらに、大容量ファイバーを用いた導波が必須であることによる作業性、信頼性の低さも問題となる。また、増幅媒質に光ファイバーを使ったファイバーレーザーは、結晶を用いる一般的な固体レーザーに比べて小型、安価であるが、後述する半導体レーザーに比べればやはり大型且つ高価であり、大容量ファイバーを用いた導波が必須であるという課題も解決されない。

また第２の課題としては、ＰＶＤＦ等のセンサーは広帯域ではあるが感度が低いという点が挙げられる。図４のＢ２は図１１〜図１３を用いて後述するダイアフラム２５０を有する共振型のセンサーの周波数特性である。共振型センサーはダイアフラム構造の固有振動数により周波数特性が決定されるため、図４からわかるように感度を有する周波数帯域は狭いが、特定の周波数（共振周波数）での感度を非常に高くすることができる。このような共振型のセンサーに比べて、ＰＶＤＦは感度が相対的に低くなってしまう。

つまり、従来手法は広帯域の光音響信号がセンサー部に到達することが前提であり、当該光音響信号を広帯域のセンサー部で検出することを考慮していた。しかし近年、半導体レーザーの高出力化が進んでいる。例えば、数十Ａの電流を入力することで１００Ｗ程度の出力が可能な半導体レーザーも見られるようになった。半導体レーザーは非常に小型であり、価格も固体レーザーに比べて安価である。さらに、信頼性も高いため扱いが容易な装置を実現できるという利点がある。

半導体レーザーは、高出力になったといっても１００Ｗ程度であり、キロＷオーダーでの出力が可能な固体レーザーに比べれば出力が低い。そのため、高感度でのセンシングを行うためには、固体レーザーを単純に半導体レーザーに置き換えただけでは充分とは言えない。

そこで本出願人は、発生する光音響信号の周波数帯域と、センサー部の受信感度周波数帯域を対応させる手法を提案する。例えば、センサー部として、図４のＢ２に示したように、特定の周波数（図４であればＦｓ）で高い感度を有するセンサーを利用する。このようにした場合、当該センサー部に到達する光音響信号の周波数が、Ｆｓにある程度近い周波数であれば、高感度での信号検出が可能となる。言い換えれば、出力する光が固体レーザーに比べて弱く、対象物で発生する光音響信号の強度も弱い場合であっても、センサー部での検出を充分な感度で行うことが可能になる。例えば、センサー部に到達する光音響信号の周波数がＦｓとなる理想的な状況であれば、センシング感度をＰＶＤＦを用いる場合の８〜９倍程度とすることができる。そのため、半導体レーザーの出力が固体レーザーより弱いことで、発生する光音響信号の強度が相対的に低下したとしても、当該低下分をセンサー部の特性により、ある程度カバーすることが可能になる。

その場合、センサー部に到達する光音響信号の周波数特性（周波数帯域）を制御すること、具体的には対象物で発生する光音響信号の周波数特性を制御することが必要になる。式（２）を用いて後述するように、対象物で発生する光音響信号の周波数特性は、光源部の光出力信号の周波数特性に依存するため、光出力信号の制御ができればよい。この点を考慮すると、光源部として半導体レーザーを用いることが、サイズや価格とはまた異なる利点を生む。具体的には、半導体レーザーの光出力信号は、当該半導体レーザーに入力する電流により容易に制御可能であるという点である。従来手法のような固体レーザーでは光出力信号は図１のガウシアン形状であり、他の形状へ変化させる制御が容易でなかったが、半導体レーザーであれば当該半導体レーザーへの入力信号、及び当該入力信号に基づく光出力信号を後述するフィルター回路１３０等で容易に制御することができる。

なお、特許文献１や特許文献２のように、光音響効果を用いたセンシング手法は種々知られているが、発生する光音響信号とセンサー部の周波数特性の関係を考慮するものや、半導体レーザーと共振型センサーの組み合わせによる構成を開示しているものは見られない。

本実施形態に係る光音響センサー１０は、図５に示したように、対象物２０に対して光を照射する光源部１００と、光によって対象物２０から発生した光音響信号を受信するセンサー部２００を含み、光源部１００の光の出力信号（以下、光出力信号と記載）の微分値の周波数帯域が、センサー部２００の受信感度周波数帯域に対応する帯域となっている。

ここでの「対応する帯域」とは、例えば一方の周波数帯域が特定された場合に、当該周波数帯域に基づいて他方の周波数帯域が特定される関係を表すものである。一例としては、センサー部２００の設計（例えば後述する開口部２４５のサイズ等の設計）により受信感度周波数帯域が所与の範囲に決定された場合に、当該受信感度周波数帯域に基づいて、光出力信号の微分値の周波数帯域が設定される。具体的には、受信感度周波数帯域に基づいて、光出力信号の条件が決まるため、当該条件を満たすように光源部１００が構成される。或いは、光源部１００の設計により、光出力信号が決定され、それにより光出力信号の微分値の周波数帯域が決定された場合に、当該周波数帯域に基づいて、センサー部２００のパラメーター（開口部２４５のサイズ）が設定されてもよい。つまり、本実施形態において周波数帯域が「対応する帯域となっている」とは、結果として２つの周波数帯域の対応関係が所与の条件を満たしていればよく、具体的な設計順序等は種々の変形実施が可能である。もちろん、周波数帯域の対応関係は設計段階で満たす必要はなく、光源部１００及びセンサー部２００の少なくとも一方のパラメーターを可変に構成しておき、光音響センサー１０を動作させながら、適切なパラメーター設定を行うことで周波数帯域を対応させてもよい。

図６は、本実施形態の手法を説明する模式図である。従来手法では、センサー部２００の受信感度周波数帯域Ｃ１に対して、例えば光音響信号の周波数帯域がＣ２のように対応していない状態となっており、効率的なセンシングができない。それに対して、本実施形態では、図６のＣ１、Ｃ３に示したように、光音響信号の周波数帯域と、センサー部２００の受信感度周波数帯域を対応させることで、効率的なセンシングが可能となる。

ここで、センサー部２００の受信感度周波数帯域とは、センサー部２００の受信感度が所与の感度閾値以上となる周波数帯域を表す。また、光出力信号、すなわち光出力の時間変化波形（後述する図２８のＨ２に比例する波形）を微分した波形（図２９のＩ１に比例する波形）も、特定の周波数成分のみから構成されるのではなく、ある程度の周波数の範囲にわたって強度を有する。よって、光出力信号の微分値の周波数帯域についても、当該微分値を周波数解析した際に、所定強度以上となる周波数の範囲を考えればよい。

また、高感度でのセンシングを行うためには、対象物２０で発生した光音響信号がセンサー部２００に到達した際の周波数帯域と、センサー部２００の受信感度周波数帯域が重なることが重要である。その際、光出力信号の微分値の周波数帯域とは、あくまで対象物２０で発生する光音響信号に比例するものであって、実際にはセンサー部２００に到達するまでの伝搬により周波数帯域の低周波側へのシフトが起こる。つまり、ここでの周波数帯域の対応関係は、当該低周波側へのシフトを考慮した関係とするとよい。

具体的には、光の出力信号の微分値の周波数帯域は、センサー部２００の受信感度周波数帯域に比べて高い帯域である。

ここで光出力信号の微分値の周波数帯域がｆ１以上ｆ２以下の範囲であってピーク周波数がｆ３であり、受信感度周波数帯域がｆ４以上ｆ５以下の範囲であってピーク周波数がｆ６である場合に、帯域同士の高低関係は種々の考え方が可能である。例えば、ピーク周波数同士を比較して、ｆ３＞ｆ６であることをもって光出力信号の微分値の周波数帯域は、センサー部２００の受信感度周波数帯域に比べて高い帯域であると考えてもよい。或いは、端点同士を比較してｆ１＞ｆ４且つｆ２＞ｆ５を条件としてもよいし、ｆ１＞ｆ４又はｆ２＞ｆ５を条件としてもよい。或いは低周波側端点と高周波側端点を比較してｆ１＞ｆ５を条件としてもよい。より具体的には、光の出力信号の微分値の周波数帯域を決定するフィルター共振周波数Ｆｆと、センサー部２００の受信感度周波数帯域を決定するセンサー部２００の共振周波数Ｆｓとが、後述するようにＦｆ−Ｆｓ＝α（αは所与の定数）の関係を満たすものであってもよい。

いずれにせよ、光出力信号の微分値の周波数帯域を相対的に高い帯域としておけば、センサー部２００までの伝搬により光音響信号が減衰し、図３０に示すような低周波側へのシフトが起きる状況において、センサー部２００に到達する光音響信号の周波数帯域と、受信感度周波数帯域が重なる状態を実現でき、高感度でのセンシングが可能になる。

また、本実施形態では図７に示すように、光源部１００は、半導体レーザー１１０を有し、センサー部２００は、圧電素子２７０とダイアフラム２５０とを含む超音波センサー２１０（超音波センサーデバイス）を有してもよい。

このようにすれば、光源部１００を小型化でき、且つコストを抑えることが可能になる。さらに、半導体レーザー１１０は光出力信号の制御が容易であるため、光出力信号と受信感度周波数帯域を対応させることが容易なシステム（光音響センサー１０、或いは電子機器）を実現できる。さらに、圧電素子２７０とダイアフラム２５０を含む超音波センサー２１０は、図４のＢ２に示したように特定の周波数での感度が非常に高いため、周波数帯域を対応させることで効率的に高感度でのセンシングが可能な光音響センサー１０等を実現することが可能になる。

以下、光音響効果の概要を説明した後、本実施形態に係る光音響センサー１０のシステム構成例を説明する。さらに、光音響信号の周波数帯域とセンサーの受信感度周波数帯域を対応させるための具体的な手法を説明する。なお、以下では生体内部のイメージングを想定して説明を行うが、対象物は生体内部の組織に限定されるものではない。

２．光音響効果の概要
光音響効果の原理について簡単に説明する。光音響効果とは、光エネルギーを吸収した分子が熱を放出し、熱による膨張により光音響信号（音響波）を発生する現象である。具体的には、発生する圧力ｐと、対象物で吸収される光エネルギーＩとは下式（１）の関係を満たす。下式（１）は光音響の波動方程式であり、波が拡散波であり、無限遠で０になるという境界条件で積分解を求めることで下式（２）が取得される。下式（１）、（２）において、ｖは音速、βは体積膨張率、Ｃは比熱、ｒ’は熱付与領域、ｒは検出位置、Ｖは熱付与領域の体積を表す。

上式（２）からわかるように、圧力ｐ（ｔ）は、対象物Ｉ（ｔ）の時間微分値に比例する。なお、実際には、図８に示すように対象物のサイズと発生する超音波の波長との関係によっては、ｐ（ｔ）はＩ（ｔ）の微分値ではなく、波形が鈍る可能性はある。

光は超音波に比べて非常に高速であるため、生体に対して照射された光は、生体内部のあらゆる領域に対して時間差無しに伝搬すると考えても差し支えない。照射した光を吸収する特性を有する対象物が図８のＤ１のように光音響信号（超音波）の波長に比べて充分小さければ、当該対象物に吸収された光出力信号の微分値に比例する超音波が当該対象物から放出され、センサー部２００に到達して検出されると考えてよい。

しかし、Ｄ２のように対象物が超音波の波長に比べてある程度大きい場合、対象物のうちの異なる複数の位置において、吸収した光エネルギーの微分波形に対応する超音波が発生することになる。具体的には、対象物のうち、光の入射側に近い第１の位置Ｄ３では、比較的強いエネルギーの光が吸収されることで、振幅値の大きい超音波が発生する。そして、第１の位置Ｄ３での吸収や光散乱が生じるため、第１の位置Ｄ３に比べて光源部１００から遠い第２の位置Ｄ４では、吸収可能な光エネルギーが小さくなり、Ｄ３に比べて振幅の小さい超音波が発生する。同様に、Ｄ２に示した対象物内での位置が光源部１００から離れるほど、発生する超音波の振幅は小さいものとなる。なお、ここでは説明の便宜上、光音響信号の発生位置として離散的な位置を用いたが、実際には連続的に考えるとよい。

上述したように、光は対象物の全領域に時間差なく伝搬すると考えてよいため、図８のＤ２に示した比較的大きい対象物では、振幅及び発生位置の異なる複数の超音波が時間差なく発生すると考えられる。結果として、Ｄ２に示した対象物では、図８のＤ５に示したように複数の微分波形がたたみ込まれた超音波が発生していると考えることができる。たたみ込みにより、中間的な位置で発生した超音波は正負が打ち消し合うことになり、センサー部２００で観測される超音波は例えば図８のＤ６のようになる。なお、Ｄ５，Ｄ６はともに横軸が時間を表し、縦軸が信号強度を表す。このように、たたみ込みまで考えれば光音響信号は吸収された光エネルギーの微分値そのものとはならない可能性がある。さらに言えば、図８では吸収される光エネルギーが光源部１００からの距離に応じてきれいに減少（Ｄ２の光吸収係数に従った指数関数Ｄ７に従って単調減少）するものとしているが、光散乱を考慮すれば現実的にはここにも誤差が生じる。

ただし、検出対象が毛細血管である場合等のように、対象物が超音波の波長よりも充分小さいと考えられる状況で光音響センサー１０を用いることは可能である。また、本実施形態における高感度でのセンシングは、図６のＣ１，Ｃ３に示したように周波数帯域同士がある程度の対応関係を持てば充分であり、例えばピーク周波数同士を厳密に一致させるような細かい制御までは不要である。以上を踏まえ、以下の本明細書では発生する超音波（光音響信号）が、吸収される光エネルギーの微分値に比例するものとして説明を行う。

なお、上述したように、光音響信号は対象物が吸収する光エネルギーＩに比例するものである。そのため、検出したい対象物（標的物質）の光吸収の特性も重要となる。例えば、物質ごとに光の波長に対する吸光係数、すなわち光吸収スペクトルの特性が異なることが知られている。よって、所与の物質が第１の波長λ１での吸光係数が大きく、第２の波長λ２での吸光係数が小さい場合、λ１の光の照射に対しては強い超音波が発生する一方、λ２の光の照射に対しては発生する超音波が弱くなる。光音響効果を利用したセンシングでは、対象物（標的物質）固有の吸収波長の光パルスを選択的に照射し、光吸収によって標的物質から発生する光音響信号である超音波をセンサー部２００で検出することになる。

ここでの「光の波長」とは、光が電磁波の形で伝搬する際の波長（振動周波数に対応する波長）であり、紫外光、可視光、赤外光等を決定する波長である。光出力信号の微分値の周波数（周波数帯域）とは、光出力の時間変化を表す波形を微分し、当該微分結果を表す時間変化波形の周波数特性（例えばＦＦＴの結果）を表すものであって、光の波長とは異なる概念である点に注意を要する。

標的物質固有の吸収波長の光パルスを選択的に照射する例を図９に示す。図９のＥ１に示すように、酸化ヘモグロビンＨｂＯ_２と、還元ヘモグロビンＨｂとでは光吸収スペクトルが異なる。比較的長い波長であるλ１の光を照射した場合、当該光での吸光係数は酸化ヘモグロビンＨｂＯ_２の方が大きいため、発生する超音波の強度（例えば電圧値Ｖ１）は血管中の酸化ヘモグロビンの量を表す指標値となる。同様に、比較的短い波長であるλ２の光を照射した場合、当該光での吸光係数は還元ヘモグロビンＨｂの方が大きいため、発生する超音波の強度（例えば電圧値Ｖ２）は血管中の還元ヘモグロビンの量を表す指標値となる。そのため、Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）は酸化ヘモグロビンの比率を表す指標値、すなわち血中酸素飽和度ＳｐＯ２に相関を持つ値となる。つまり、光音響効果を用いて酸素飽和度の情報を得ることが可能になる。その他、標的物質の有無や濃度の検出等を行う際に、光の波長を選択することは特許文献２等にも開示されている手法である。

以下、光の波長については本実施形態に係る手法の本質ではないため、対象物２０をセンシングするに当たって適切な光の波長が選択され、光源部１００から照射されているものとして説明を行う。

３．システム構成例
図１０は本実施形態に係る光音響センサー１０の詳細な構成例である。図１０に示したように、光音響センサー１０は光源部１００と、センサー部２００を含む。光源部１００は、パルス信号出力部１２０と、フィルター回路１３０と、半導体レーザー１１０を含み、パルス信号出力部１２０は、パルス信号生成部１２１と、電圧増幅部１２３を含む。ただし、光音響センサー１０は、図１０の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

なお、図１０は光音響センサー１０の各部の入出力信号の概要を示す図でもある。上述してきたように、本実施形態に係る光音響センサー１０のセンサー部２００では、Ｇ１に示したように、受信感度周波数帯域に対応する周波数帯域の光音響信号を受信したい。そのため、Ｇ２に示したように、光出力信号も所望の周波数特性とする必要がある。そして、当該光出力信号を出力するために、半導体レーザー１１０にはＧ３に示したようにＧ２に比例する電圧を印加することになる。本実施形態の光音響信号の光源部１００では、Ｇ３に示した信号を生成するために、Ｇ４に示した比較的高電圧のパルス信号を、フィルター回路１３０でフィルター処理を行うものとする。また、Ｇ４に示した比較的高電圧のパルス信号を生成するために、Ｇ５に示した比較的低電圧のパルス信号（第２のパルス信号）を生成、増幅する。以下、光音響センサー１０の各部について説明する。

光源部１００は、対象物２０に対して光を照射する。具体的には、光源部１００は半導体レーザー１１０を有し、当該半導体レーザー１１０から出力される光を照射する。照射される光の波長（振動周波数、発光色）はバンドギャップのエネルギー差に基づいて決定される。言い換えれば、対象物２０の光吸収スペクトルに基づいて、当該対象物２０に適した光の波長を特定し、当該波長の光を放出可能な半導体レーザー１１０を用いればよい。

また、半導体レーザー１１０は電流が供給されることで（電圧が印加されることで）光を出力するため、光源部１００は、電流供給用の構成を有する。具体的には、図１０に示したようにパルス信号を出力するパルス信号出力部１２０と、当該パルス信号に対するフィルター処理を行うフィルター回路１３０を含む。半導体レーザー１１０が出力する光の強度の時間変化波形（光出力信号）は、印加される電圧の時間変化波形に比例する。そのため、フィルター回路１３０の出力を制御することで、光出力信号を制御可能となる。

なお、上述したように光音響効果を利用するためには、パルス信号のパルス幅はｎｓｅｃオーダーの短い時間とする必要がある。また、半導体レーザー１１０で高出力を実現するためには高電流（例えば数十Ａ）を供給する必要がある。つまり光源部１００では、大出力且つ高速動作が求められる。そのため、パルス信号出力部１２０は、パルス信号生成部１２１と、電圧増幅部１２３を含むとよい。光源部１００の各部の詳細については後述する。

図１１〜図１３に、センサー部２００を構成する超音波センサー２１０の構成例を示す。センサー部２００は、１又は複数の超音波センサー２１０を含み、狭義には複数の超音波センサー２１０をアレイ状に配置することでセンサー部２００を実現してもよい。

超音波センサー２１０は、ダイアフラム（振動膜、メンブレン、支持部材）２５０と圧電素子２７０とを有する。圧電素子２７０は、第１電極層（下部電極）２２１、圧電体層（圧電体膜）２３０、第２電極層（上部電極）２２２を有する。

図１１は、基板（シリコン基板）２６０に形成された超音波センサー２１０の、素子形成面側の基板２６０に垂直な方向から見た平面図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図１３は、図１１のＢ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層２２１は、ダイアフラム２５０の上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層２２１は、図１１に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波センサー２１０に接続される配線であってもよい。

圧電体層２３０は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層２２１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層２３０の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。

第２電極層２２２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層２３０の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層２２２は、図１１に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波センサー２１０に接続される配線であってもよい。

ダイアフラム２５０は、例えばＳｉＯ２薄膜とＺｒＯ２薄膜との２層構造により開口２４０を塞ぐように設けられる。このダイアフラム２５０は、圧電体層２３０及び第１、第２電極層２２１、２２２を支持すると共に、光音響信号（超音波信号）を受信することで振動し、当該振動を圧電体層２３０を伝達する。圧電体層２３０（圧電素子２７０）はダイアフラム２５０の振動に従って伸縮し、電気信号を発生させることができる。

開口２４０は、基板２６０（シリコン基板）の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この開口２４０の開口部２４５のサイズによって超音波の共振周波数が決定される。すなわち、図１１〜図１３に示した超音波センサー２１０をセンサー部２００として利用した場合に、当該センサー部２００は上記共振周波数で高い感度を有する。

超音波センサー２１０の下部電極（第１電極）は、第１電極層２２１により形成され、上部電極（第２電極）は、第２電極層２２２により形成される。具体的には、第１電極層２２１のうちの圧電体層２３０に覆われた部分が下部電極を形成し、第２電極層２２２のうちの圧電体層２３０を覆う部分が上部電極を形成する。即ち、圧電体層２３０は、下部電極と上部電極に挟まれて設けられる。

このように、センサー部２００は、光音響信号である超音波信号を受信する超音波センサー２１０を有し、センサー部２００の受信感度周波数帯域は、超音波センサー２１０の共振周波数を含む帯域である。

このようにすれば、センサー部２００として、特定の周波数に感度を有する共振型のセンサーを利用することが可能になる。そのため、光音響効果による光音響信号（より具体的には対象物２０で発生後、センサー部２００に到達した状態での光音響信号）の周波数と、センサー部２００の共振周波数を対応させることで、高感度での検出が可能になる。図１１〜図１３の構成であれば、共振周波数は開口部２４５のサイズにより設定できるため、所望の周波数が共振周波数となるようなサイズの開口部２４５を用いればよい。

また、本実施形態の手法は光音響センサー１０に適用するものには限定されない。例えば、本実施形態の手法は図１４に示したように、上記の光音響センサー１０を含む電子機器に適用することができる。電子機器は、光音響センサー１０と、処理部１１と、記憶部１２と、表示部１３を含む。ただし、電子機器は図１４の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

処理部１１は、光音響センサー１０の検出信号（センサー部２００による超音波の検出信号）に基づいて、種々の処理を行う。一例としては、光音響信号の検出結果に基づいて、画像を形成する処理を行ってもよい。また、処理部１１は、光音響センサー１０の光源部１００の制御や、表示制御等の処理を行ってもよい。この処理部１１の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムなどにより実現できる。

記憶部１２は、処理部１１等のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭ等のメモリーやＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などにより実現できる。記憶部１２は、光音響信号の検出結果や、制御用情報等、種々の情報を記憶する。

表示部１３は、各種の表示画面を表示するためのものであり、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどにより実現できる。表示部１３は、例えば処理部１１で形成された画像の表示を行う。

本実施形態に係る電子機器の具体例は種々考えられるが、例えば生体内部の観察（イメージング）を行うための機器であってもよい。その場合、観察対象となる（対象物２０として設定される）生体は各部の血管や腫瘍等、種々の対象を想定することが可能である。

４．周波数帯域の設定手法
次に光出力信号の周波数帯域の設定手法を説明する。具体的には、光源部１００の各部の詳細について説明する。

上述したように、光源部１００は、パルス信号を出力するパルス信号出力部１２０と、パルス信号に対してフィルター処理を行うフィルター回路１３０を有する。そして、フィルター回路１３０の周波数特性により、光出力信号の微分値の周波数帯域が、センサー部２００の受信感度周波数帯域に対応する帯域に設定される。

光音響イメージングでは、光（励起光）は光出力が大きいこと、且つ、光出力の立ち上がり、立ち下がり時間が短い必要がある。具体的には、大出力（数１０〜数１００Ａ）、高速動作（数１０〜数１００ｎｓのパルス幅）が求められる。これはアナログ増幅器では実現が難しいため、デジタル増幅器を用いることが望ましい。

このようなパルス信号を出力するために、パルス信号出力部１２０は、パルス信号生成部１２１と、電圧増幅部１２３を含んでもよい。具体的な構成を図１５に示す。パルス信号生成部１２１は、第２のパルス信号を生成し、電圧増幅部１２３は当該第２のパルス信号の電圧増幅を行う。

具体的には、パルス信号生成部１２１はゲートドライバーであり、電圧増幅部１２３は、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を含むデジタル増幅器であってもよい。電圧増幅部１２３は、第１のＭＯＳＦＥＴ１２４と、第２のＭＯＳＦＥＴ１２５を含む。第１のＭＯＳＦＥＴ１２４と、第２のＭＯＳＦＥＴ１２５は、第１の電源電圧ＶＤＤが供給される第１電源ノードＰ１と、第２の電源電圧ＶＳＳが供給される第２の電源ノードＰ２との間に設けられる。第１のＭＯＳＦＥＴ１２４と、第２のＭＯＳＦＥＴ１２５との間に電圧増幅部１２３の出力ノードＰ３が設けられる。出力ノードＰ３及び第２の電源ノードＰ２は、フィルター回路１３０の入力ノードに接続され、フィルター回路１３０に対して増幅後のパルス信号を出力する。

ゲートドライバー（パルス信号生成部１２１）は、第１のＭＯＳＦＥＴ１２４と、第２のＭＯＳＦＥＴ１２５のそれぞれのゲート端子に接続され、各ＭＯＳＦＥＴのオンオフ、具体的にはソースドレイン間に電流が流れるか否かを制御する。ゲートドライバーは、第２のパルス信号として、ｎｓｅｃオーダーで高電位（ＨＩＧＨ）となり、他の時間で低電位（ＬＯＷ）となる正パルス信号を第１のＭＯＳＦＥＴ１２４のゲート端子に供給するとともに、ｎｓｅｃオーダーで低電位（ＬＯＷ）となり、他の時間で高電位（ＨＩＧＨ）となる負パルス信号を第２のＭＯＳＦＥＴ１２５のゲート端子に供給する。

第１の電源電圧ＶＤＤを高電圧（例えば数十Ｖ）とすれば、出力ノードＰ３にはｎｓｅｃオーダーのパルス幅であり、且つ高出力のパルス信号が出力されることになる。なお、第２の電源ノードＰ２には第２の電源電圧ＶＳＳが供給されるが、ＶＳＳは例えばグラウンドとすればよい。また、望ましいパルス幅については、フィルター回路１３０の説明の際に後述する。

しかし、ＭＯＳＦＥＴを用いた増幅回路の場合、当該ＭＯＳＦＥＴの出力は矩形波となる。矩形波には、比較的低い周波数の成分から、立ち上がり立ち下がり部分に相当する比較的高い周波数の成分まで含まれるため、このままではセンサー部２００が感度を有する周波数との対応が不十分である。そのため、パルス信号出力部１２０の出力をそのまま半導体レーザー１１０に供給するのではなく、特定の周波数成分を強調（増幅）するためのフィルター回路１３０を設けるとよい。

ここでのフィルター回路１３０は、フィルター共振周波数において、ゲインが１より大きい周波数特性を有するものである。なお、フィルター回路１３０の入力が、ゲイン倍だけされて出力されることを想定しており、ゲインが１であれば入力と出力の強度が等しいことを表す。

すなわち、本実施形態におけるフィルター回路１３０とは、フィルター共振周波数を有する共振回路であり、フィルターの共振を利用することで、所望の周波数成分の強度が高い電圧を半導体レーザー１１０に印加し、それにより所望の周波数成分の強度が高い（所望の周波数成分が増幅された）光出力信号を出力することが可能になる。

言い換えれば、光の出力信号の微分値の周波数帯域は、フィルター回路１３０のフィルター共振周波数によって設定されることになる。光出力信号の微分値の周波数帯域は、上式（２）等を用いて上述したように、光を吸収した対象物２０で発生する光音響信号の周波数帯域に対応する。そのため、フィルター共振周波数により、対象物２０で発生する光音響信号の周波数帯域を制御可能となる。

フィルター回路１３０は、ＬＣ共振フィルター回路であってもよい。具体例を図１６に示す。フィルター回路１３０は、図１６に示したように、コイルＬｆと、キャパシターＣｆを含むＬＣローパスフィルターであってもよい。ＬＣローパスフィルターのフィルター共振周波数は、コイルのインダクタンスＬと、キャパシターの容量Ｃに基づいて、下式（３）により決定される。

そのため、所望のフィルター共振周波数が決定されたら、当該フィルター共振周波数を実現するようにＬとＣの値を設定すればよい。具体的には、Ｌとして１０ｎＨ、Ｃとして１００ｎＦ程度の値を利用してもよい。この場合、１０ｎＨという低いＬ値を実現することは難しいため、基板の寄生インダクタンス（配線のインダクタンス）を利用してフィルター回路１３０を構成してもよい。

ＬＣローパスフィルターの周波数特性を図１７に示す。図１７からわかるように、ＬＣローパスフィルターは、フィルター共振周波数Ｆｆにおいて比較的大きいゲインを有するため、所望の周波数成分を効率的に強調することが可能である。

なお、所望の周波数でのゲインを相対的に高くするのであれば、ハイパスフィルターやバンドパスフィルターを用いてもよい。ただし、ハイパスフィルターやバンドパスフィルターはＤＣ成分がカットされＡＣ成分が出力されるため、出力が負電圧となる期間がある。半導体レーザー１１０は、負電圧が印加されると破壊されるため、ハイパスフィルターやバンドパスフィルターの出力をそのまま半導体レーザー１１０に出力することで、半導体レーザー１１０が破壊されるおそれがある。もちろん、バイアス電圧を利用する等、ハイパスフィルターやバンドパスフィルターの出力で半導体レーザー１１０を動作させることは可能であるが、破壊を抑止するための構成を追加する必要が生じるため、その点でＤＣ成分をカットしないローパスフィルターの方が有利である。

図１７では、フィルター共振周波数Ｆｆでのゲインが大きくなるＬＣローパスフィルターの周波数特性を示した。しかし、本実施形態の構成では、フィルター回路１３０の出力側には、半導体レーザー１１０が接続される。半導体レーザー１１０は、図１８に示す等価回路のように、抵抗Ｒ_ＬＤ（及びキャパシターＣ_ＬＤ）を有する回路であると考えることができる。つまり、フィルター回路１３０と半導体レーザー１１０の等価回路は図１９に示したようになる。なお、実際の半導体レーザー１１０は後述するように図１８の等価回路を複数組み合わせたものとなる。

図１９に示した回路では、ＬＣローパスフィルターのキャパシターＣｆと、半導体レーザー１１０の抵抗Ｒ_ＬＤとが並列に接続される。そのため、Ｃｆのインピーダンスが、Ｒ_ＬＤのインピーダンスに比べて大きい場合には、電流はＬＣローパスフィルターのＬｆから半導体レーザー１１０の抵抗Ｒ_ＬＤに流れてしまい、キャパシターＣｆに流れなくなってしまう。この場合、ＬＣローパスフィルターの共振が利用できず、フィルター共振周波数Ｆｆで高いゲインを得ることができない。これは、半導体レーザー１１０の抵抗Ｒ_ＬＤがダンピング抵抗としてはたらき、ＬＣローパスフィルターの共振がダンピングされていると考えることもできる。

図２０は、共振がダンピングされた場合のＬＣローパスフィルターの周波数特性である。図２０からわかるように、この場合にはフィルター共振周波数Ｆｆでのゲインは１（０ｄＢ）よりも小さくなり、所望の周波数成分を強調することができない。

よって本実施形態では、発振時（発振状態）における半導体レーザー１１０のインピーダンスは、フィルター共振周波数Ｆｆにおけるフィルター回路１３０のキャパシターＣｆのインピーダンスに比べて大きいものとする。このようにすれば、図１６に示したようにフィルター共振周波数Ｆｆでのゲインが１より大きくなるような周波数特性を有するフィルター回路１３０を実現でき、センサー部２００での高感度での光音響信号の検出が可能になる。

図２１に示したように、電圧増幅部１２３（スイッチとして機能するＭＯＳＦＥＴ）のインピーダンスをＺ_ＳＷ、フィルター回路１３０のコイルのインピーダンスをＺ_Ｌ、キャパシターのインピーダンスをＺ_Ｃ、半導体レーザー１１０のインピーダンスをＺ_ＬＤとする。この場合の、各インピーダンスの大小関係によるフィルター回路１３０の周波数特性の変化を示したものが図２２、図２３である。図２２、図２３からわかるように、フィルター共振周波数Ｆｆでのゲインを大きくするには、Ｚ_Ｃ＜Ｚ_ＬＤを満たす必要がある。

なお、このような関係は半導体レーザー１１０のインピーダンスＺ_ＬＤ（実質的に抵抗Ｒ_ＬＤの抵抗値と同視することが可能）を大きくすることでも実現可能である。しかし、半導体レーザー１１０は電流が注入されることで光を発生するものであるため、抵抗Ｒ_ＬＤの抵抗値が過剰に大きいことは考えにくい。よって、所望の周波数（フィルター共振周波数Ｆｆ）でのゲインを高くするためには、フィルター回路１３０に含まれるキャパシターＣｆのインピーダンスを調整することが望ましい。

また、半導体レーザー１１０は、図１８の等価回路で表される１つの素子（レーザーユニット）では出力が低いため、当該レーザーユニットをアレイ化して使用するとよい。その場合、アレイ化の際の接続も種々の手法が考えられる。

ここで、レーザーユニットとは、半導体レーザー１１０における光の出力単位を表す。半導体レーザー１１０では、一般的にｐｎ接合領域の両端から電子と正孔を加え、それらの再結合時にバンドギャップに相当するエネルギーの光を放出する。よって、レーザーユニットとは、１つのｐｎ接合領域（及び当該ｐｎ接合領域に電圧を印加するための配線や電極等）に対応する素子である。

例えば、図２４に示すように、フィルター回路１３０の出力と、電源ノード（ここでは第２の電源電圧ＶＳＳが供給されるノード）との間に、複数のレーザーユニットを並列に接続する手法が考えられる。しかし、本実施形態ではこのような接続は好ましくない。なぜなら、複数のレーザーユニットを並列に接続した場合、半導体レーザー１１０全体で考えたときの抵抗値は、各レーザーユニットの抵抗値を並列接続したものとなるため、１つのレーザーユニットの抵抗値に比べて小さいものとなってしまう。

上述したように、フィルター回路１３０のキャパシターＣｆのフィルター共振周波数Ｆｆでのインピーダンスに比べて、半導体レーザー１１０の抵抗Ｒ_ＬＤの抵抗値は大きいことが望ましいところ、並列接続により抵抗値が小さくなることで、ＬＣ共振フィルター回路の共振がダンピングされる可能性がある。

図２５は１つのレーザーユニットを用いた場合のフィルター回路出力の周波数特性であり、図２６は２つのレーザーユニットを並列に接続した場合のフィルター回路出力の周波数特性である。図２５、図２６の比較からわかるように、複数のレーザーユニットを並列接続することでフィルター共振周波数でのゲインは低くなってしまう。

よって本実施形態では、図２７に示したように、フィルター回路１３０の出力ノードＰ４と電源ノードＰ５との間に、複数のレーザーユニットのうちの少なくとも２つのレーザーユニット（図２７では１１１及び１１２）が、直列に接続される。

このようにすれば、半導体レーザー１１０全体として見たときのインピーダンス（抵抗値）は、各レーザーユニットのインピーダンスの和となる。そのため、半導体レーザー１１０のインピーダンスが、フィルター共振周波数Ｆｆでのフィルター回路１３０のキャパシターＣｆのインピーダンスより大きい、という条件を満たすことが容易となる。言い換えれば、フィルター共振周波数Ｆｆでのゲインを高くすることが容易となる。なお、複数のレーザーユニットの合成インピーダンス（半導体レーザー１１０全体のインピーダンス）を大きくすることを考慮すれば、半導体レーザー１１０が３つ以上のレーザーユニットを含む場合、できるだけ多くのレーザーユニットを直列接続することが望ましく、狭義には全てのレーザーユニットが直接接続されることが望ましい。

以上のように、フィルター回路１３０を用いることで、パルス信号のうち、フィルター共振周波数Ｆｆにおける成分を強調する（１より大きいゲインで増幅する）ことが可能になる。後段でこのようなフィルター処理が行われることに鑑みれば、パルス信号出力部１２０が出力するパルス信号のパルス幅についても、望ましい条件が出てくる。

具体的には、パルス信号出力部１２０は、フィルター共振周波数Ｆｆに対応する共振周期Ｔ（Ｔ＝１／Ｆｆ）の１／２に対応する長さをパルス幅とするパルス信号を出力するとよい。図２８は、入力するパルス信号と、当該パルス信号をフィルター処理した信号の関係を示す図である。

図２８のＨ１がフィルター共振周期Ｔの１／２のパルス幅のパルス信号であり、Ｈ２が当該パルス信号のフィルター処理後の波形である。図２８からわかるように、Ｔ／２のパルス幅のパルス信号に対して、フィルター共振周波数Ｆｆでのゲインが１より大きいフィルター処理を行うことで、フィルター処理後の波形はフィルター共振周波数Ｆｆに対応する正弦波の１波長分に近い波形となる。具体的には、正弦波の信号値が増加する期間においてパルス信号が供給され、正弦波の信号値が減少する期間においてはパルス信号の供給が停止しているため、効率的にフィルター共振周波数Ｆｆの正弦波に近い波形を形成することが可能になる。

これに対して、パルス信号のパルス幅がＴ／２よりも小さいと、正弦波がピークに達する前にパルス信号の供給が停止してしまうため、フィルター出力（及びそれに伴う光出力信号）の出力（振幅）は、パルス幅がＴ／２の場合に比べて低下してしまう。この点で、パルス幅はＴ／２未満よりもＴ／２であることが望ましい。

また、図２８のＨ３がＴ／２よりも長いパルス幅のパルス信号であり、Ｈ４が当該パルス信号のフィルター処理後の波形である。上述したように、フィルター回路１３０はフィルター共振周波数Ｆｆでの成分を増幅するものであるため、フィルター処理後の波形は、フィルター共振周波数Ｆｆの正弦波に近づこうとする。そのため、フィルター出力（及びそれに伴う光出力信号）は、Ｔ／２の時間経過後は減少傾向に転ずる。Ｔ／２よりも長いパルス幅のパルス信号を入力した場合、フィルター出力は減少しようとしているのに、パルス信号の入力が継続している状態となるため、Ｈ４に示したような波形となる。具体的には、振幅のピークはＨ２と同様でありながら、Ｈ２に比べて振幅の減少が遅く、波形は正弦波からの乖離が大きくなる。

図２８のＨ２とＨ４を比較すればわかるように、パルス幅をＴ／２よりも長くしても、光出力信号の強度（振幅、縦軸のピーク）は変化しない。半導体レーザー１１０を用いる場合、素子の熱的な破壊を抑止するためにはできるだけパルス幅を小さくすることが求められる。つまり、パルス幅をＴ／２よりも長くした場合、半導体レーザー１１０の破壊の可能性が高まる、消費電力が増加するといったデメリットが生じるにもかかわらず、図２８に示したように光出力信号の強度に対する寄与がない。この点で、パルス幅をＴ／２より長くした場合に比べてＴ／２である場合の方が有利である。

また、パルス幅がＴ／２よりも長い場合、波形が鈍るという問題もある。図２９はＨ２及びＨ４の微分波形である。Ｉ１がＨ２の微分波形に対応し、Ｉ２がＨ４の微分波形に対応する。上述してきたように、Ｉ１，Ｉ２は対象物２０で発生する光音響信号に比例する信号である。Ｉ１からわかるように、パルス幅がＴ／２である場合には、光出力信号の微分波形も正弦波に近い。つまり、所望の周波数成分が適切に増幅されており、センサー部２００の感度周波数帯域との対応関係が明確である。それに対して、Ｉ２は波形が鈍っており正弦波との乖離が大きい。つまり、所望の周波数成分以外の成分もある程度の強度を有しており、センサー部２００の感度周波数帯域との対応関係が適切でない、言い換えればセンサー部２００での共振（ダイアフラム２５０の共振）を効率的に利用できないということになる。つまりセンサー部２００の共振周波数との関係においても、パルス幅をＴ／２より長くした場合に比べてＴ／２である場合の方が有利である。

ただし、パルス信号出力部１２０が出力するパルス信号のパルス幅は、Ｔ／２に限定されるものではなく、多少の値の変動があってもよい。例えば、所与のパルス幅変動閾値ｔｈを設定し、パルス幅をＴ／２−ｔｈ以上、Ｔ／２＋ｔｈ以下の範囲のいずれかの値としてもよい。

以上で説明したように、光出力信号の微分値の周波数帯域はフィルター共振周波数Ｆｆにより制御可能であり、センサー部２００の受信感度周波数帯域は共振周波数Ｆｓ（ダイアフラム２５０の共振周波数、固有振動数）により制御可能である。

ここで、光出力信号の微分値の周波数帯域は、対象物で発生する光音響信号の周波数帯域に対応する。そのため、仮に発生した光音響信号が周波数特性を変化させずにセンサー部２００まで到達するのであれば、フィルター共振周波数Ｆｆと、センサー部２００の共振周波数Ｆｓが一致するように設定を行えばよい。

しかし上述したように、光音響信号（超音波信号）は、伝搬とともに減衰し、且つ周波数が高いほど減衰度合いが大きいという特性を有する。そのため、対象物で発生した光音響信号は、センサー部２００へ到達するまでに高周波成分が削られ、そのピークが低周波側へシフトする。さらに、そのシフト量は伝搬距離が長くなるほど大きくなる。

図３０に、伝搬距離の差による周波数特性の差を示す。図３０のＪ１が皮膚からの深さが１ｍｍの対象物を検出対象とした場合のセンサー部２００で検出される光音響信号の周波数特性を表し、Ｊ２が皮膚からの深さが３０ｍｍの対象物を検出対象とした場合のセンサー部２００で検出される光音響信号の周波数特性を表す。縦軸は強度を表し、ピークでの強度を１に正規化している。また、皮膚表面からの深さは対象物からセンサー部２００までの伝搬距離を表すものと考えてよい。Ｊ１，Ｊ２からわかるように、伝搬距離が長いほど、ピークとなる周波数が低くなる。図３０では、発生時の超音波の周波数特性は、Ｊ１とＪ２で共通としているため、図３０からは伝搬距離が長いほど、ピークの低周波側へのシフト量が大きくなることがわかる。

この点を考慮し、フィルター共振周波数は、センサー部２００の共振周波数Ｆｓに比べて高い周波数とするとよい。どの程度高い周波数とするかは、検出対象である対象物２０とセンサー部２００との距離に応じて決定すればよい。生体の例であれば、皮膚表面からの深さに応じて周波数を設定すればよく、対象物２０がより深い位置となるほど、フィルター共振周波数Ｆｆを、センサー部２００の共振周波数Ｆｓに比べてより高い周波数とすればよい。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光音響センサーや電子機器の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

Ｃｆ，Ｃ_ＬＤ…キャパシター、Ｌｆ…コイル、Ｒ_ＬＤ…抵抗、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、
１０…光音響センサー、１１…処理部、１２…記憶部、１３…表示部、２０…対象物、
１００…光源部、１１０…半導体レーザー、１２０…パルス信号出力部、
１２１…パルス信号生成部、１２３…電圧増幅部、１３０…フィルター回路、
２００…センサー部、２１０，２１１，２１２…超音波センサー、
２２１…第１電極層、２２２…第２電極層、２３０…圧電体層、２４０…開口、
２４５…開口部、２５０…ダイアフラム、２６０…基板、２７０…圧電素子

Claims (13)

1. 対象物に対して光を照射する光源部と、
   前記光によって前記対象物から発生した光音響信号を受信するセンサー部と、
   を含み、
   前記光源部の光の出力信号の微分値の周波数帯域が、前記センサー部の受信感度周波数帯域に対応する帯域となっていることを特徴とする光音響センサー。
2. 請求項１において、
   前記光源部は、
   パルス信号を出力するパルス信号出力部と、
   前記パルス信号に対してフィルター処理を行うフィルター回路と、
   を有し、
   前記フィルター回路の周波数特性により、前記光の出力信号の微分値の周波数帯域が、前記センサー部の前記受信感度周波数帯域に対応する帯域に設定されることを特徴とする光音響センサー。
3. 請求項２において、
   前記フィルター回路は、
   フィルター共振周波数において、ゲインが１より大きい前記周波数特性を有することを特徴とする光音響センサー。
4. 請求項３において、
   前記光の出力信号の微分値の周波数帯域は、前記フィルター回路の前記フィルター共振周波数によって設定されることを特徴とする光音響センサー。
5. 請求項３又は４において、
   前記センサー部は、
   前記光音響信号である超音波信号を受信する超音波センサーを有し、
   前記センサー部の前記受信感度周波数帯域は、前記超音波センサーの共振周波数を含む帯域であることを特徴とする光音響センサー。
6. 請求項５において、
   前記フィルター共振周波数は、前記超音波センサーの前記共振周波数に比べて高い周波数であることを特徴とする光音響センサー。
7. 請求項３乃至６のいずれかにおいて、
   前記パルス信号出力部は、
   前記フィルター共振周波数に対応する共振周期の１／２に対応する長さをパルス幅とする前記パルス信号を出力することを特徴とする光音響センサー。
8. 請求項３乃至７のいずれかにおいて、
   前記光源部は、
   半導体レーザーを有し、
   発振時における前記半導体レーザーのインピーダンスは、前記フィルター共振周波数における前記フィルター回路のキャパシターのインピーダンスに比べて大きいことを特徴とする光音響センサー。
9. 請求項８において、
   前記半導体レーザーは、複数のレーザーユニットを有し、
   前記フィルター回路の出力ノードと電源ノードとの間に、前記複数のレーザーユニットのうちの少なくとも２つのレーザーユニットが、直列に接続されることを特徴とする光音響センサー。
10. 請求項２乃至９のいずれかにおいて、
    前記フィルター回路は、ＬＣ共振フィルター回路であることを特徴とする光音響センサー。
11. 請求項１乃至１０のいずれかにおいて、
    前記光源部は、
    半導体レーザーを有し、
    前記センサー部は、
    圧電素子とダイアフラムとを含む超音波センサーを有することを特徴とする光音響センサー。
12. 請求項１乃至１１のいずれかにおいて、
    前記光の出力信号の微分値の周波数帯域は、前記センサー部の前記受信感度周波数帯域に比べて高い帯域であることを特徴とする光音響センサー。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の光音響センサーを含むことを特徴とする電子機器。