JP4076873B2

JP4076873B2 - 超音波受信装置及び超音波受信方法

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Publication number: JP4076873B2
Application number: JP2003036041A
Authority: JP
Inventors: 英二小川
Original assignee: Fujifilm Corp
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Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2008-04-16
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波受信装置及び超音波受信方法に関する。
【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）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であった。このような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ため、異なる時刻における断面像を合成することになるので、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、超音波撮像装置を用いて超音波エコー観察等を行う場合のように、生体を対象とする被写体には適していない。
【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。例えば、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。光検出方式の超音波センサは、超音波を受けて光の反射特性が変化する超音波検出素子を利用したものである。
【０００７】
しかしながら、このような超音波検出素子は、温度や湿度の変化によって光の反射特性が変化するため、検出感度のバラツキが大きい。また、２次元検出面を有する超音波検出素子においては、検出面の各位置によって光の反射特性が異なり、検出感度のバラツキが生じてしまう。このように、光検出方式を用いた超音波受信装置においては、温度等の環境的要因や構造的要因による検出感度の変化を制御することが、実用上の大きな問題である。このために、例えば、光源から出射される光の波長を、超音波検出素子の感度が高くなる点に調整することが考えられるが、非常に急峻な反射特性に対して光源光の波長を合わせ込むのは困難である。一方、ブロードバンド光を、位置に応じて異なる反射特性を有する超音波検出素子に入射し、反射光をフィルタ分離する方式も考えられるが、この場合には、超音波検出素子の構成が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。さらに、超音波検出素子の検出領域ごとに反射特性を変化させる方式も考えられるが、この場合にも超音波検出素子の構成が複雑になり、やはり、コストが高くなってしまう。
【０００８】
【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 REVIEW）, 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 Performance of a Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultrasonic Field Measurement）」, 電学論（T. IEE Japan）, 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 Mechanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing Concept for Wideband Ultrasound Detection）」アイ・イー・イー・イー会報（IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL）, VOL. 46, NO. 6 (NOVEMBER 1999), P.1575-1582
【０００９】
【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、光検出方式を用いた超音波受信装置及び超音波受信方法において、温度等の環境変化による超音波検出感度の変化や、超音波検出素子の位置による検出感度のバラツキを低減すると共に、装置の構成を簡単にして低コスト化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波受信装置は、ブロードバンド光を発生する光源と、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、光源が発生した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、光の強度を検出する複数列の光電変換素子を有する光検出手段と、超音波検出素子の各々の検出エリアから反射された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光することにより、各々の検出エリアから反射された光に含まれている複数の波長成分を光検出手段において対応する列に含まれている複数の光電変換素子にそれぞれ入射させる分光手段とを具備する。
【００１１】
また、本発明に係る超音波受信方法は、受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮に応じて伸縮部の光反射率が変動することにより、入射した光を強度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子に光を入射し、超音波検出素子の各々の検出エリアから反射された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光し、各々の検出エリアから反射された光に含まれている複数の波長成分の強度を複数列の光電変換素子を有する光検出手段において対応する列に含まれている複数の光電変換素子を用いてそれぞれ検出することにより、超音波検出素子の各々の検出エリアにおける光の波長と反射強度との関係を求めるステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において求めた関係に基づいて、光検出手段における各列の光電変換素子の中から超音波の検出のために用いる１つの光電変換素子を選択するステップ（ｂ）と、超音波を受信する際に、超音波検出素子に光を入射し、超音波検出素子に超音波が受信されることによって強度変調された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光し、ステップ（ｂ）において選択された光電変換素子を用いて特定の波長成分の強度を検出することにより、超音波検出素子の複数の検出エリアにおいて受信された超音波に関する情報を求めるステップ（ｃ）とを具備する。
【００１２】
本発明によれば、超音波検出素子の各々の検出エリアから反射された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光し、各々の検出エリアから反射された光に含まれている複数の波長成分を光検出手段において対応する列に含まれている複数の光電変換素子にそれぞれ入射させることにより、超音波検出素子の各々の検出エリアにおける光の波長と反射強度との関係を求めることができる。また、その関係に基づいて、超音波を受信する際に用いる光電変換素子を予め選択することにより、最適な波長を有する光に基づいて検出信号を得ることができる。
【００１３】
【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、超音波検出素子２０と、分光素子１５と、光検出器１６と、コリメートレンズ１７、１８とを含んでいる。
以下においては、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を、反射特性と呼ぶものとする。
【００１４】
光源１１としては、超音波検出素子２０の反射特性における傾斜帯域以上の範囲をカバーできる帯域幅を有するものを用いることが望ましい。このような光源として、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、若しくは、線幅の比較的大きいＬＤ（レーザダイオード）等の光源が用いられる。
【００１５】
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の方向に通過させると共に、第２の方向から戻ってくる光を第１の方向とは別の第３の方向に反射する。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、入射光を入射方向の反対方向に透過させ、入射方向の反対方向から戻ってくる光を、入射方向とほぼ９０°をなす方向に反射する。
【００１６】
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。図１には、１ライン上に配列された光ファイバＯＦ₁〜ＯＦ_Mが示されている。図１に示すように、多数の光ファイバは、超音波検出素子側（図中左側）においては受信面の形状（例えば、円状）に合わせて束ねられ、分波器１２側（図中右側）においては、１ライン上に配列される。或いは、１ライン上に配列された光ファイバを、複数段に重ねても良い。
【００１７】
光伝送路１３の先端部は、コリメート部１４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。
【００１８】
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２０ａにおい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。
【００１９】
分光素子１５は、例えば、回折格子やプリズム等によって構成され、入射光を波長に応じて異なる方向に出射する。分光素子１５は、光ファイバＯＦ₁〜ＯＦ_Mから平行に出射された光線Ｌ₁〜Ｌ_Mを分光し、分光された複数の光線を光検出器１６に導く。
【００２０】
或いは、分光素子１５として、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）分光素子を用いても良い。図２に、ＡＷＧ分光素子の構成を示す。
ＡＷＧ分光素子としては、プレーナ光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）に含まれるアレイ導波路格子を用いるのが一般的である。図２に示すように、このアレイ導波路格子は、一本の入力導波路５１が接続された入力側スラブ導波路５２と、複数の出力導波路５３ａ、５３ｂ、…が接続された出力側スラブ導波路５４との間を、一定の導波路長差を有する複数のアレイ導波路５５ａ、５５ｂ、…によって接続することにより構成される。
【００２１】
入力側スラブ導波路５２は、入力導波路５１の端部を曲率中心とする扇形をしている。また、出力側スラブ導波路５４は、複数の出力導波路５３ａ、５３ｂ、…の端部を曲率中心とする扇形をしている。複数のアレイ導波路５５ａ、５５ｂ、…は、それぞれの光軸が入力側スラブ導波路５２及び出力側スラブ導波路５４の両方の曲率中心を通るように、放射状に配置されている。これにより、入力側スラブ導波路５２及び出力側スラブ導波路５４が、レンズと同等の機能を実現する。
【００２２】
異なる複数の波長λ₁〜λ_Nを有する入射光は、入力導波路５１に入射し、入力側スラブ導波路５２のレンズ作用により複数のアレイ導波路５５ａ、５５ｂ、…に導光される。入射光に含まれる複数の波長成分は、アレイ導波路５５ａ、５５ｂ、…において励振し、それぞれの波長に応じた導波路長を有する複数の出力導波路５３ａ、５３ｂ、…に導光される。
【００２３】
再び図１を参照すると、光検出器１６は、分光素子１５によって分光された複数の波長成分を検出する。光検出器１６としては、複数の光電変換素子が２次元に配列され、入射光を位置ごとに分割して検出することができる２次元光電変換器が用いられる。このような２次元光電変換器としては、例えば、ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）や、ＭＯＳ型センサ等を用いることができる。或いは、ＣＣＤ（charge coupled device）等のプログラマブルな２次元センサを用いても良い。
【００２４】
光伝送路１３と、分光素子１５と、光検出器１６とは、超音波検出素子の所定の微小領域から反射される光線に含まれる所定の波長を有する成分が、光検出器１６の所定の光電変換素子に入射するように配置されている。本実施形態において、超音波検出素子の異なる領域に接続されている光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…から出射した光線Ｌ₁、Ｌ₂、…は、２次元に配列されている光電変換素子の第１列、第２列、…にそれぞれ対応している。また、分光された成分の波長λ₁、λ₂、…は、光電変換素子の第１行、第２行、…にそれぞれ対応している。このような対応が得られるように光学系を配置することにより、光検出器１６の第ｎ行第ｍ列に位置する光電変換素子から出力される信号は、光ファイバＯＦ_mから出射した光線Ｌ_mに含まれる波長λ_nを有する成分であると特定される。
コリメートレンズ１７は、光源１１から出射する光を平行光にして分波器１２に入射させる。また、コリメートレンズ１８は、光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…から出射した光を平行光にして分波器１２に入射させる。
【００２５】
次に、図３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。
【００２６】
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３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。
【００２７】
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は入射面から測った入射角であり、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。
【００２８】
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超音波検出素子２０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る。この傾斜帯域の範囲に中心波長を有する光を多層膜２２に入射させながら超音波を加えると、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。
【００２９】
基板２１の材料としては、石英ガラス（ＳｉＯ₂）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。
【００３０】
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。超音波は伝搬する間に少なからず減衰し、伝搬距離が長いほど減衰量は多くなる。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。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。
【００３１】
図４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４に示すように、光伝送路（バンドルファイバ）１３に含まれる光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…は、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に、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次元的に配置されて接続されている。光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…は、接着剤２５を用いて束ねられている。
【００３２】
光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…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）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は、２ｍという長さは効果的であるが、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。
【００３３】
ここで、光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…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ＯＦ₁、ＯＦ₂、…を超音波検出素子２０に直接接続すると光が拡散してしまい、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、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ＯＦ₁、ＯＦ₂、…の一端には、出射光の拡散を防止するために複数のコリメートレンズ１４ａがそれぞれ接続されている。複数のコリメートレンズ１４ａは、それぞれの光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…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。
【００３４】
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。
【００３５】
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４に示すように、コリメートレンズ１４ａを被覆材２３によって覆っても良い。光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…におけるのと同様に、超音波を早く減衰させるためである。
【００３６】
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、ＳＴＹＣＡＳＴ（Emerson & Cuming社の製品）を用いている。
【００３７】
次に、本実施形態に係る超音波受信装置の動作について、図１、図５、及び、図６を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係る超音波受信装置の動作を示すフローチャートである。
まず、超音波の受信を行う前に、キャリブレーションを行う。ここで、キャリブレーションとは、その時々の超音波検出素子の反射特性を測定し、検出信号として採用する波長成分を決定する作業のことをいう。即ち、超音波検出素子は、温度や湿度等の周囲の環境に対して非常に敏感であり、反射特性が変化しやすい。例えば、ブラッググレーティングを用いた超音波検出素子の反射光の中心波長は、０．０１ｎｍ／℃の割合で変化する。また、２次元検出面を有する超音波検出素子においては、検出面の微小領域ごとに構造的なバラツキがある。このような環境的又は構造的な要因による感度の変化を低減するために、事前にキャリブレーションを行う。
なお、このキャリブレーションは、超音波の受信を開始した後に、随時行っても良い。
【００３８】
ステップＳ１において、超音波受信装置を駆動する。これより、例えば、図６の（ａ）に示すようなスペクトル特性を有するブロードバンド光が、光源１１から出射する。光源から出射した光は、コリメートレンズ１７、分波器１２、コリメートレンズ１８を通過し、１ライン上に配列されている光ファイバＯＦ₁〜ＯＦ_Mに入射する。各光ファイバを介して伝送された光は、超音波検出素子２０の各微小領域に入射し、各微小領域の光反射率に対応して反射した光が光ファイバから出射する。光ファイバＯＦ₁〜ＯＦ_Mから出射した光線Ｌ₁〜Ｌ_Mは、再び、コリメートレンズ１８を通過し、分波器１２によって反射され、分光素子１５に入射する。光線Ｌ₁〜Ｌ_Mは、分光素子１５において分光され、それぞれの波長成分が、光検出器１６のそれぞれの列に含まれる複数の光電変換素子に、波長に応じて入射する。
【００３９】
これにより、ステップＳ２において、光線Ｌ₁〜Ｌ_Mに対応する光検出器１６のそれぞれの列から、波長λ₁〜λ_Nに対応する光電変換素子の検出信号が得られる。
図６（ｂ）は、光検出器１６の第ｍ列に含まれる光電変換素子における検出信号に基づいて得られたグラフであり、光ファイバＯＦ_mを通過し、これに対応する超音波検出素子の微小領域から反射された光線Ｌ_mのスペクトル分布を示している。図６の（ｂ）に示すように、光線Ｌ_mは、ブラッグの反射条件によって選択的に反射される波長λ_Xにおいて、最も高い強度を有している。
【００４０】
図６（ｃ）は、光線Ｌ_mに対応する超音波検出素子の微小領域におけるブラッググレーティングの反射特性を示している。先にも述べたように、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λ_Xの前後に光反射率が急峻に変化する傾斜帯域Δλがある。超音波を印加してブラッググレーティングの構造の変化を観察する際には、この傾斜帯域Δλの分光領域において、大きな強度変化が観察される。これは、図６（ｂ）及び（ｃ）において、λ_nによって表されている。
【００４１】
従って、光線Ｌ_mに対応する超音波検出素子の微小領域については、波長λ_nを中心波長とした分光領域の光が最も大きな強度変化を示す。即ち、光ファイバＯＦ_mについては、光検出器の第ｍ列において波長λ_nが入射する光電変換素子（ｎ，ｍ）から出力される信号を超音波の検出信号として用いることにより、最も高い検出感度を得ることができる。
【００４２】
同様にして、光ファイバＯＦ₁、ＯＦ₂、…から出射される光線Ｌ₁、Ｌ₂、…が入射するそれぞれの列ごとに、いずれの光電変換素子から出力される信号を超音波の検出信号として用いるかを選択すれば、超音波検出素子２０の微小領域ごとに、最も高い検出感度が得られる。
再び図５を参照すると、ステップＳ３において、事前検出の結果に基づいて、光検出素子１６の列ごとに、使用する光電変換素子を選択する。
【００４３】
次に、超音波の受信を行う。
ステップＳ４において、超音波受信装置を駆動する。これにより、光源から出射したブロードバンド光は、光ファイバＯＦ₁〜ＯＦ_Mを介して超音波検出素子２０の微小領域に入射する。それぞれの微小領域から反射された光線Ｌ₁〜Ｌ_Mは、分光素子１５において分光され、光検出器１６に入射する。
【００４４】
この状態で、超音波検出素子２０に超音波を印加する（ステップＳ５）。それにより、超音波検出素子２０の各微小領域において周期構造のピッチが変化し、ステップＳ３において選択された光電変換素子から出力される検出信号は、大きな強度変化を示す。
【００４５】
次に、ステップＳ６において、ステップＳ３において選択された光電変換素子から出力される検出信号を取得する。さらに、これら検出信号を処理して、反射光の強度変化を超音波の強度に換算する。これにより、超音波検出素子の各微小領域において受信された超音波の強度を２次元的に測定することができる。
【００４６】
本実施形態の変形例について、図７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７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４を用いて説明したものと同様である。
図７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。
【００４７】
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の光を透過率Ｔで透過させ、光反射率Ｒ＝（１−Ｔ）で反射する。
【００４８】
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。そこで、図５を用いて説明したのと同様に、事前検出を行って、光検出器において、光反射率の変化の大きい領域に中心波長を有する光が入射する光電変換素子を選択し、ブロードバンド光を入射させながら基板３１に超音波を印加する。これにより、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。
【００４９】
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８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８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のと同様である。
【００５０】
図８（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のと同様に、コリメートレンズ４２として、０．２５Ｌ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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４４）によって覆われている。さらに、図８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。
このような複数のファイバ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。
【００５３】
以上説明した第１及び第２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９を参照しながら説明する。
図９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、コリメートレンズ１７と分波器１２の間に配置され、コリメートレンズ１７から入射した平行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と分光素子１５の間に配置され、分波器１２から入射した光を増幅して分光素子１５に出射する。
【００５４】
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-Doped Optical Fiber Amplifier）を使用する。このＥＤＦＡ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１６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１６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。
【００５５】
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１６に入射する反射光の光量が増加するので、光検出器１６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。
【００５６】
本発明の第１又は第２の実施形態に係る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又は第２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１８や分波器１２に接続されている。
【００５７】
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は、例えば、圧電素子に電極を形成した振動子によって構成される。圧電素子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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に代表される圧電性を有する材料等を含んでいる。振動子の電極に、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、圧電効果により圧電素子は伸縮する。これにより、振動子から超音波パルス或いは連続波超音波が発生する。
【００５８】
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６０の超音波有感部は、受信面において受信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における光反射率の変動により、強度変調され、反射される。反射された光は、コリメートレンズ１８や分波器１２を介して分光素子１５に入射し、分光されて光検出器１６に入射する。
【００５９】
また、この超音波撮像装置は、システム制御部８０と、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とを含んでいる。
光検出器１６の所定の光電変換素子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。
【００６０】
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。
【００６１】
システム制御部８０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１６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、駆動信号及び検出信号をコントロールして読み取る時間帯を限定することにより、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。また、システム制御部８０は、キャリブレーション時における光検出器１６の検出結果に基づいて、超音波検出部６０の複数の検出領域における反射特性を求め、それらの反射特性に基づいて、光検出器１６の複数の光電変換素子の中から超音波の検出のために用いる１組の光電変換素子を選択し、超音波を受信する際に、選択された１組の光電変換素子から出力される信号を検出信号として用いるように、信号処理部８１を制御する。
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１を形成しても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、キャリブレーションにより超音波検出素子の反射特性を求め、その反射特性に基づいて超音波の検出に用いる光電変換素子を選択するので、温度や湿度等の環境によって反射特性が変化しても、高い検出感度を維持することが可能である。また、同様に、超音波検出素子の検出領域ごとの感度のバラツキを抑えることも可能である。さらに、ブロードバンド光を用い、その分光光の中から超音波の検出に用いる波長を選択するので、環境や検出領域に応じて光の波長を制御する必要がなく、また、検出領域ごとの反射特性を変える必要もない。これより、超音波受信装置の構成を簡単にして小型化することができる。従って、超音波受信装置の製造が容易になり、コストを削減することが可能である。
【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模式図である。
【図２】ＡＷＧ分光素子の構成を示す図である。
【図３】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４】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５】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波受信装置の動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第１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２の実施形態に係る超音波受信装置の一部を示す模式図である。
【図９】本発明の第１及び第２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。
【符号の説明】
１超音波用探触子１１光源
１３光伝送路１４コリメート部
１４ａ、１７、１８コリメートレンズ
１５分光素子１６光検出器
２０、３０超音波検出素子２０ａ受信面
２１、３１、３２基板２２、４３多層膜
２３被覆材２５接着剤
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、ＯＦ₁〜ＯＦ_M 光ファイバ
４２コリメートレンズ４４被覆材
５１入力導波路５１５２入力側スラブ導波路
５３ａ、５３ｂ、… 出力導波路５４出力側スラブ導波路
５５ａ、５５ｂ、… アレイ導波路６０超音波検出部
７０超音波送信部７１駆動信号発生回路
８０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

Claims

ブロードバンド光を発生する光源と、
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、前記光源が発生した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、
光の強度を検出する複数列の光電変換素子を有する光検出手段と、
前記超音波検出素子の各々の検出エリアから反射された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光することにより、各々の検出エリアから反射された光に含まれている複数の波長成分を前記光検出手段において対応する列に含まれている複数の光電変換素子にそれぞれ入射させる分光手段と、
を具備する超音波受信装置。
前記超音波検出素子と前記分光手段との間で光を伝送する光伝送路をさらに具備する請求項１記載の超音波受信装置。
前記超音波検出素子と前記分光手段との間で光を増幅する光増幅器をさらに具備する請求項１又は２記載の超音波受信装置。
キャリブレーション時における前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記超音波検出素子の各々の検出エリアにおける光の波長と反射強度との関係を求め、それらの関係に基づいて、前記光検出手段における各列の光電変換素子の中から超音波の検出のために用いる１つの光電変換素子を選択し、超音波を受信する際に、選択された光電変換素子から出力される信号を検出信号として用いるように信号処理部を制御する制御手段をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波受信装置。
受信される超音波に応じて伸縮し、伸縮に応じて伸縮部の光反射率が変動することにより、入射した光を強度変調する超音波有感部を含む超音波検出素子に光を入射し、前記超音波検出素子の各々の検出エリアから反射された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光し、各々の検出エリアから反射された光に含まれている複数の波長成分の強度を複数列の光電変換素子を有する光検出手段において対応する列に含まれている複数の光電変換素子を用いてそれぞれ検出することにより、前記超音波検出素子の各々の検出エリアにおける光の波長と反射強度との関係を求めるステップ（ａ）と、
ステップ（ａ）において求めた関係に基づいて、前記光検出手段における各列の光電変換素子の中から超音波の検出のために用いる１つの光電変換素子を選択するステップ（ｂ）と、
超音波を受信する際に、前記超音波検出素子に光を入射し、前記超音波検出素子に超音波が受信されることによって強度変調された光を波長に応じて異なる方向に出射して分光し、ステップ（ｂ）において選択された光電変換素子を用いて特定の波長成分の強度を検出することにより、前記超音波検出素子の複数の検出エリアにおいて受信された超音波に関する情報を求めるステップ（ｃ）と、
を具備する超音波受信方法。