JP5308597B1 - 光音響撮像装置 - Google Patents

Abstract

本願に開示された光音響撮像装置は、音響波源１と、音響波源１から出射した音響波２が被写体を照射することにより生じた散乱波５を所定の収束状態に変換する音響レンズ系６と、音響レンズ系６を透過した散乱波が入射するように配置された光音響媒質部８と、互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を出射する光源であって、光束が音響レンズ系の音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で光音響媒質部に入射する、光源１９と、光音響媒質部で発生する複数の平面波単色光の回折光を集光する結像レンズ系１６と、結像レンズ系によって集光された光を検出し、電気信号を出力する受像部１７とを備える。

Description

本願は、被写体を光および音響波によって撮影する光音響撮像装置に関する。

音響波を被写体に照射し、生じた散乱波を光音響媒質部に導入すると、音響波は縦波であるため、光音響媒質部中の媒質に粗密が生じ、屈折率分布を形成する。このため、光音響媒質部中に光を伝搬させると、この屈折率分布の影響を受けた回折光を生成する。つまり、生成した回折光を観測すると、被写体を検出することができる。

非特許文献１は、光音響媒質部中に生じた屈折率分布に単色光を照射することによって、Ｂｒａｇｇ回折光を生成し、被写体を撮像する技術を開示している。具体的には、図２０に示すように、非特許文献１は、レーザー１１０１および超音波振動子１１１１を用いて被写体１１０９の像をスクリーン１１０５に投影する技術を開示している。レーザー１１０１から出射した単色光光束は、ビームエクスパンダー１１０２およびアパーチャ１１０３により、太いビーム径を持つ単色光光束に変換される。単色光光束は、図２０に示すようにｘｙｚ軸を設定した場合においてｘ軸に伸びるシリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、および、ｙ軸に伸びる１１０４（ｃ）を透過し、スクリーン１１０５に到達する。このように、３つのシリンドリカルレンズから成る光学系は、光軸１１１３に対して回転対称でない。

シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）と１１０４（ｂ）との間に、水１１０７で満たされた音響セル１１０８が配置されており、水１１０７中に被写体１１０９が配置されている。以下において説明するように、単色光光束が水１１０７を透過する際に回折光が生じる。生成した回折光は強い非点収差を持っている。このため、生成した回折光の非点収差を補正し、スクリーン１１０５の位置で、ｘｚ平面上およびｙｚ平面上において結像させるため、シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）の焦点距離は互いに異なっている。

シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）は、単色光光束が焦点面１１０６の位置でｘｚ平面において焦点を結ぶよう焦点距離が選定されている。シリンドリカルレンズによる結像であるため、焦点はｘ軸に平行な直線である。焦点面１１０６を通過した光束は焦点面１１０６よりスクリーン１１０５側で発散するが、その発散光束はシリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）で収束され、スクリーン１１０５上で再度焦点を結ぶ。ｙｚ平面内においては、ビームエクスパンダー１１０２通過後の単色光光束は、平行光束のままシリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）に入射する。そして、シリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）の集光作用でスクリーン１１０５上に焦点を結ぶ。各シリンドリカルレンズの設置位置や焦点距離の選定は、ｘｚ平面およびｙｚ平面の両面において光束がスクリーン１１０５上で結像するように行うこと以外に、被写体１１０９に相似な画像が、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）としてスクリーン１１０５上に出現するよう行われる。上で述べたように光学系が光軸１１１３に対して回転対称ではないので、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）は歪曲収差を持つ。そこで、シリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）を用いて、回折光の持つ歪曲収差と逆の特性の歪曲収差を有する光学系を構成することによって、回折光の歪曲収差を補正し、被写体１１０９に相似な画像をスクリーン１１０５上に生成する。

音響セル１１０８には、信号源１１１０で駆動される超音波振動子１１１１が設けられており、超音波振動子１１１１から水１１０７を介して被写体１１０９に単色超音波が照射される。単色超音波とは、音圧が、単一周波数を持つ正弦波状の時間変動を示す超音波を意味する。

被写体１１０９から超音波散乱波が生成し、その散乱波は水１１０７中における単色光光束の通過領域を伝播する。水中を伝播する超音波の導波モードは粗密波（縦波）であるので、水１１０７中の音圧分布、すなわち、超音波散乱波に一致した屈折率分布が水１１０７中に生成される。議論を簡単にするため、まず、被写体１１０９からの超音波散乱波は、ｙ軸の正方向に向かう平面波であると仮定する。超音波散乱波は単色であるから、ある瞬間において水１１０７中に生成される屈折率分布は、超音波波長で繰り返される正弦波状の１次元格子となる。したがって、その１次元格子によりＢｒａｇｇ回折光（図中では±１次回折光束を表現）が生成される。そして、その回折光はスクリーン１１０５上で１つの光点として現われる。光点の輝度は、１次元格子の屈折率変化量、すなわち、超音波音圧に比例する。

次に、仮定した「超音波散乱波は平面波である」という条件の緩和し、波面が平面ではない超音波散乱波を考える。波面が平面ではない超音波散乱波は、様々な方向から到来する平面波（今の場合、全ての平面波は同一周波数を持つ）の重ね合わせとして表現することができる。このため、波面が平面ではない超音波散乱波が伝搬する水１１０７を単色光光束が透過する場合、様々な方向から到来する各平面波による回折光の光点がスクリーン１１０５上に出現する。各光点の強度は各平面波の振幅の大きさに比例し、また、各光点のスクリーン１１０５上での出現位置は、各平面波の進行方向によって決定される。そのため、スクリーン１１０５上において１次回折像１１１２（ａ）、および、−１次回折像１１１２（ｂ）として、被写体１１０９の実像が現われる。スクリーン１１０５上での光点の集合体が被写体１１０９の実像とみなせるという点は、回折現象であることを除き、被写体と±１次回折像の関係が、一般の光学カメラにおける被写体と実像の関係とおなじである。

A. Korpel, "Visualization of the cross section of a sound beam by Bragg diffraction of light," Applied Physics Letters, vol.9, no.12, pp.425-427, 15 Dec. 1966.

しかしながら、上述した従来の技術では、生成する画像の解像度の向上が求められていた。

本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、高い分解能で被写体を撮影することが可能な光音響撮像装置を提供する。

本発明の一態様である光音響撮像装置は、音響波源と、前記音響波源から出射した音響波が被写体を照射することにより生じた散乱波を所定の収束状態に変換する音響レンズ系と、前記音響レンズ系を透過した散乱波が入射するように配置された光音響媒質部と、互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を出射する光源であって、前記光束が前記音響レンズ系の音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で前記光音響媒質部に入射する、光源と、前記光音響媒質部で発生する複数の前記平面波単色光の回折光を集光する結像レンズ系と、前記結像レンズ系によって集光された光を検出し、電気信号を出力する受像部とを備える。

本発明の一態様に係る光音響撮像装置によれば、被写体で生成される超音波散乱波を、音響レンズ系で平面音波の重畳波に変えるとともに光音響媒質部に導入し、互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を光音響媒質部に透過させ、光音響媒質部中に生じた屈折率分布による回折光を生成するため、軸外収差の少ない高分解能な画像を得ることができる。

本発明よる光音響撮像装置の第１の実施形態を示す概略的な構成図である。 第１の実施形態における音響レンズ系６の作用を示す光線追跡図である。 第１の実施形態における光源１９の構成を示す図である。 （ａ）は第１の実施形態における均一照明光学系３１の構成を示す図であり、（ｂ）は、他の構成を示す図である。 第１の実施形態における均一照明光学系３１の他の構成を示す図である。 シングルモード光ファイバの配置を示す図である。 第１の実施形態における均一照明光学系３１の他の構成を示す図である。 第１の実施形態における均一照明光学系３１の他の構成を示す図である。 第１の実施形態における均一照明面４３の設定位置を示す図である。 （ａ）は、第１の実施形態において、平面波光束が平面音波によってＢｒａｇｇ回折する様子を説明する模式図であり、（ｂ）は、１次元回折格子によるＢｒａｇｇ回折条件を説明するための模式図である。 （ａ）は、第１の実施形態において、回折光２０１がｙ方向に歪んでいることを示す図であり、（ｂ）は、第１の実施形態において、像歪み補正部１５として用いられるアナモルフィックプリズムの構造を示す図である。 アナモルフィックプリズムを構成するくさび状プリズムにおける光束の光路を説明するための図である。 第１の実施形態において、入射角度の異なる平面光束がＢｒａｇｇ回折することを説明する図である。 （ａ）は、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概念的な図であり、（ｂ）は、第１の実施形態の光音響撮像装置が二重回折光学系とみなせることを示す図である。 （ａ）は、第１の実施形態における平面波光束１４の入射方向を示す図であり、（ｂ）は、他の可能な入射方向を示す図である。 シリンドリカルレンズの構造を示す図である。 第１の実施形態において、シリンドリカルレンズより構成され、像歪み補正部と１５と結像レンズ系１６の作用を兼ね備えた光学系を示す図である。 本発明よる光音響撮像装置の第２の実施形態を示す概略的な構成図である。 第２の実施形態の具体的を説明する模式図である。 第３の実施形態における音響レンズ系６の構成を示す図である。 第４の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である。 第５の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である。 本発明よる光音響撮像装置の第６の実施形態を示す概略的な構成図である。 非特許文献１に記載された装置の構成を示す模式図である。

本願発明者、は非特許文献１に開示された被写体の撮影技術を詳細に検討した。その結果、非特許文献１に開示された技術によれば、使用する超音波の波長で決まる分解能よりも低い結像特性しか得られないことが分かった。

具体的には、被写体１１０９の実像は±１次回折像１１１２（ａ）、１１１２（ｂ）であるので、実像は光学系の光軸外に形成される。一般に、結像光学系（実像を形成する光学系）は光軸を離れる程、大きな軸外収差を持つため、良好な画質をもった実像の形成が困難になる。したがって、図２０に示す構成では、軸外収差による像の悪化が生じる。

また、Ｂｒａｇｇ回折では、格子面の法線方向が定まると、入射光と回折光の進行方向は一意に決定される。図２０に示す構成では、水１１０７中における単色光光線の通過領域の任意の１点において、定まった向きに進行する１本の光線しか存在しないため、被写体１１０９から生じた超音波散乱波の全てに対応した回折光が生成されない場合がある。波面光学によれば、レンズ開口に到来する全ての散乱波が像形成に寄与した時にはじめて、レンズ収差により決定される分解能を有した実像が生成される。したがって、図２０の光学系で生成される実像の分解能は波動光学的に定まる分解能に比べ低下する。

また、結像特性に加え、実用的な撮像装置としても課題があることが分かった。具体的には、非特許文献１に開示された技術によれば、構成が大型化する。非特許文献１では超音波の伝播媒質として水１１０７を用いる。水中では超音波の伝播速度が早いため（約１５００ｍ／ｓ）、非特許文献１に記載されている２２ＭＨｚという高い周波数の超音波を用いた場合でも、超音波の波長は約６８μｍである。そのため、レーザー１１０１として非特許文献１に記載されている波長６３３ｎｍの光源を用いる場合、±１次回折像１１１２（ａ）、１１１２（ｂ）の回折角は極めて小さく（約０．２７°）、図２０の水平、および、垂直方向の画像の拡大率が等しくなるようにするためには、２つのシリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）と１１０４（ｃ）の焦点距離の比を大きくとり、かつ、スクリーン１１０５と音響セル１１０８との間を数ｍ程度離す必要がある。

また、非特許文献１に開示された技術によれば、被写体１１０９を水１１０７で満たされた密閉容器中に浸漬する必要がある。さらに、Ｂｒａｇｇ回折に用いる超音波散乱波は被写体１１０９の前方散乱波であるため、音響波の照射側から被写体を撮影することが困難である。

このような課題に鑑み、本願発明者は新規な光音響撮像装置を想到した。本発明の一態様の概要は以下の通りである。

本発明の一態様である光音響撮像装置は、音響波源と、前記音響波源から出射した音響波が被写体を照射することにより生じた散乱波を所定の収束状態に変換する音響レンズ系と、前記音響レンズ系を透過した散乱波が入射するように配置された光音響媒質部と、互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を出射する光源であって、前記光束が前記音響レンズ系の音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で前記光音響媒質部に入射する、光源と、前記光音響媒質部で発生する複数の前記平面波単色光の回折光を集光する結像レンズ系と、前記結像レンズ系によって集光された光を検出し、電気信号を出力する受像部とを備える。

光音響撮像装置は、前記回折光および前記電気信号によって表される前記被写体の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備えてもよい。

各単色光のスペクトル幅は１０ｎｍ未満であり、前記単色光は、前記単色光の中心周波数における波長の１０倍以下の波面精度を持つ平面波であってよい。

前記音響レンズ系は屈折型音響系であってよい。

前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されていてもよい。

前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備えていてもよい。

前記音響レンズ系は反射型音響系であってよい。

前記音響レンズ系は２面以上の反射面を含んでいてもよい。

前記音響レンズ系は、焦点距離調整機構を含んでいてもよい。

前記結像レンズ系は焦点調整機構を含んでいてもよい。

前記光源は、フライアイレンズを含んでいてもよい。

前記像歪み補正部は、前記回折光の断面を拡大する光学部材を含んでいてもよい。

前記像歪み補正部は、前記回折光の断面を縮小する光学部材を含んでいてもよい。

前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成されていてもよい。

前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含んでいてもよい。

前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行ってもよい。

前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含んでいてもよい。

前記回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含んでいてもよい。

前記光源から出射する光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能であってよい。

前記音響波はパルス状であってよい。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による光音響撮像装置の第１の実施形態を説明する。

図１は、光音響撮像装置１０１の構成を模式的に示している。光音響撮像装置１０１は、音響波源１と、音響レンズ系６と、光音響媒質部８と、光源１９と、像歪み補正部１５と、結像レンズ系１６と、受像部１７とを備える。

被写体４は、音響波が伝搬することができる媒質３中に配置される。音響波が伝播可能な媒質３とは、例えば、空気、水などである。このほか、媒質３は、体組織や、金属、コンクリートなどの弾性体であってもよい。なお、図１および以下で参照する図面において、被写体４は椅子として示されているが、これは、図示し易い物体として例示しているにすぎない。本実施形態および以下の実施形態の光音響撮像装置によって撮影し得る好適な被写体、あるいは、音響レンズ系６を移動させずに撮影可能な撮影領域の大きさは、音響レンズ系６によって収束する散乱波や光源１９から出射する光束１４の口径、光音響媒質部８の大きさ等に依存し、光音響撮像装置の用途によって決定し得る。例えば、本実施形態の光音響撮像装置において、焦点距離１００ｍｍの音響レンズ系６を適用し、光軸１３に対してなす角度が１５度未満の光束よりなる平面波光束１４を用いた場合、撮影領域の大きさは被写体上において、直径５．４ｃｍ程度であり、周波数１０ＭＨｚの音響波２を用いた場合の解像度は、０．１５ｍｍ程度である。また、第２の実施形態として説明するように、本発明の光音響撮像装置は、生体の体内を観察するための超音波診断装置としても適している。

音響波源１と音響レンズ系６は、媒質３中、あるいは、媒質３に接触して配置される。音響波源１から出射した音響波２が被写体４を照射することにより、被写体４の表面や内部の音響インピーダンス（音速に密度を掛けた量）の非一様な領域で、音響波２が反射し、散乱波５が生成する。散乱波５は、音響レンズ系６によって、所定の収束状態、特に平面音波９に変換され、光音響媒質部８に入射する。光音響媒質部８中を平面音波９が伝搬することによって、光音響媒質部８には屈折率分布が生じる。光源１９から出射した平面波光束１４は、光音響媒質部８に入射し、光音響媒質部８の屈折率分布により回折され、回折光が光音響媒質部８から出射する。この回折光を、結像レンズ系１６によって、受像部１７に集光することにより、被写体４の実像１８を撮影することができる。以下、光音響撮像装置１０１の各構成要素を詳細に説明する。なお、正確には、実像１８は、音軸７に垂直で、音響レンズ系６の焦点距離ｆだけ音響レンズ系６から離れた平面上における、被写体４の弾性係数の２次元分布に相似な画像である。

１．光音響撮像装置１０１の構成
（１）音響波源１
音響波源１は、被写体４に向けて音響波２を照射する。音響波２は超音波であってよい。被写体４を１回撮影する場合、音響波２は、振幅および周波数が一定である正弦波を複数波分含むパルス波であってよい。波数が多くなるほど光音響媒質部８において生じる回折光の強度が強くなる。このため、例えば、音響波２の継続時間は、周波数の逆数（周期）以上に設定される。音響波２は、平面波でなくてもよい。図１には示していないが、トリガ回路によって音響波源１が音響波２を発生する時刻は正確に制御されている。

音響波２は、平面波であってもよいし、平面波でなくてもよい。音響波２は、好ましくは、被写体４の全体、あるいは、被写体４の撮影したい領域を、概ね均一な強度で照射する。つまり、音響波２は、撮影したい領域に応じた大きさの照射断面を有していてもよい。ここで、「概ね均一な照度で照射する」とは、光音響撮像装置１０１の仕様として想定された撮像領域に一様な音圧が加わるように照射することを意味する。撮像領域とは、音響レンズ６の物体側焦点の近傍領域を指す。例えば、撮像領域が焦点近傍の半径１０ｍｍの領域である場合、焦点面近傍の半径１０ｍｍの領域が均一に照射されればよい。音響波２は、被写体４の表面および内部で反射散乱し、音響波２と同一周波数を持つ散乱波５が生成する。

（２）音響レンズ系６
音響レンズ系６は、散乱波５を所定の状態に収束させる。具体的には、音響レンズ系６は媒質３中において焦点距離ｆを有している。音響レンズ系６は、屈折型音響系であってもよいし、反射型音響系であってもよい。音響レンズ系６が屈折型音響系である場合、少なくとも１つの屈折面を有し、内部を散乱波５が透過する音響レンズを含む。音響レンズは、シリカナノ多孔体またはフロリナートなど、音響波の伝播損失が少ない弾性体によって構成されていてもよい。屈折面における音響波の屈折はスネルの法則に従い、媒質３および音響レンズを構成する材料における散乱波５の音速比で定まる角度で散乱波５は屈折する。音響レンズ系６が反射型音響系である場合、音響レンズ系６は、金属やガラスなど、媒質３と音響インピーダンスが大きく異なる材料によって構成される少なくとも１つの反射面を有する。これらの屈折面および反射面は、いずれも光学レンズと同様の形状を有していることによって、散乱波５を収束させることができる。

また、光学分野においてレンズ屈折面で生じる反射減衰や迷光を低減するために積層される反射防止膜と同様の機能を有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。例えば、媒質３および音響レンズの音響インピーダンスの相乗平均値に等しい音響インピーダンス、および、１／４波長（ここでの波長は、音響波２を構成する正弦波の周波数における波長をさす）の厚さを有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。

被写体４は音響レンズ系６の焦点近傍に位置していてもよい。光学カメラ等の光学撮像装置と同様、音響レンズ系６の焦点面２１からずれるに従い、被写体４の実像１８はぼける。ここで、焦点面２１とは、音軸７に垂直で音響レンズ系６から被写体４の方向に音響レンズ系６の焦点距離ｆだけ離れた平面を指す。

このため、焦点面２１の面外にある被写体４の鮮明な実像１８を得る場合は、被写体４が音響レンズ系６の焦点面２１の面上にくるように、光音響撮像装置１０１全体を移動させてもよい。音響レンズ系６の音軸７方向に光音響撮像装置１０１を移動させることが困難である場合、光学式カメラの撮像レンズと同様に、音響レンズ系６は焦点調整機構をさらに備えていてもよい。また、さらに、被写体４に対する実像１８の大きさを可変にする場合、音響レンズ系６または結像レンズ系１６のいずれか一方、あるいは、その両方に焦点距離調整機能（すなわち、ズーム機能）を設けてもよい。

議論を簡単にするため、被写体４は音響レンズ系６の焦点近傍にある場合、生成する散乱波５は、音響レンズ系６の焦点面２１の面上で発生するとする。散乱波５は、焦点面上の任意の１点を中心とする球面波であるから、音響レンズ系６によりその球面波は、光音響媒質部８中を伝播する平面状の波面を持った音波に変換される。焦点面２１上の各点からの球面波がこのような平面音波に変換されるため、音響レンズ系６を通過した散乱波５は、様々な進行方向をもった平面音波が重畳された平面音波９となる。図２に示すように、焦点面２１上にある点Ａおよび点Ｂから球面波が発生する場合を考える。点Ａは音軸７と焦点面２１との交点である。また、点Ｂは、焦点面２１上にあるが、音軸７から距離ｈだけ離れている。点Ａで発生した球面波は平面状の波面Ａをもった平面波に変換される。点Ａは音軸７上にあるため、波面Ａの法線は音軸７に平行となる。一方、点Ｂで発生した球面波も平面状の波面Ｂをもった平面波に変換されるが、波面Ｂの法線は音軸７に対して角度ψを成す。図２に示すように、角度ψはＡｒｃｔａｎ（ｈ／ｆ）に等しい。ここで、Ａｒｃｔａｎは逆正接関数を表す。実際には点Ａと点Ｂの間にある全ての点からも球面波が発生するので、図１に示す平面音波９は、波面の法線が音軸７に対し様々な角度ψを持った平面波が重畳された音波となる。

（３）光音響媒質部８
光音響媒質部８は、正弦波の周波数を持った音響波２（散乱波５）に対して伝搬減衰が少なく、かつ、後述の光束１４に対して透光性を有する等方的弾性体によって構成される。このような弾性体としては、例えば、シリカ乾燥ゲルで形成されたナノ多孔体、フロリナート、水などを好適に用いることができる。実像１８の画質（特に分解能）の向上のためには、できるだけ低音速な透光性弾性体を適用することが望ましく、シリカナノ多孔体、フロリナートを用いることが好ましい。

光音響媒質部８は、音響レンズ系６によって変換された平面音波９が、低損失で光音響媒質部８に入射するように音響レンズ系６に対して配置されていてもよい。具体的には、音響レンズ系６が屈折型音響系である場合、光音響媒質部８は、音響レンズ６に対して、被写体４と反対側に配置される。音響レンズ系６は光音響媒質部８と接合されていてもよい。また、接合面での反射による減衰を抑圧するために、接合面には反射防止膜を設けてもよい。音響レンズ系６と光音響媒質部８とを同じ材料によって構成する場合には、光音響媒質部８の一部（例えば、媒質３との境界面）に音響レンズ系６を設けてもよい。図１に示すように、音軸７に平行な方向に進行する平面音波９は、音軸７を含む領域を、波面が音響レンズ系６の音軸７に対して垂直となる状態で光音響媒質部８を伝搬する。このため、光音響媒質部８は、音響レンズ系６の音軸７を含んでいる。

（４）音波吸収部１０
光音響媒質部８を伝搬した平面音波９が光音響媒質部８の端部で反射し、反射した平面音波９が、平面音波９の検出に影響を与える場合には、光音響媒質部８の端部に音波吸収部１０を設けてもよい。音波吸収部１０は、平面音波９を反射や散乱させることなく吸収し、あるいは、減衰させる。音波吸収部１０により、音波吸収部１０に到達する音波は全て吸収されるため、光音響媒質部８中に存在する音波は一方向へ伝搬する平面音波９のみとなる。これにより、反射した平面音波９がノイズとして検出され、被写体４の画像の画質が低下するのを抑制することができる。

なお、光音響媒質部８、音響レンズ系６および音波吸収部１０の少なくとも１つの間に、音響整合層を設けてもよい。音響整合層を設けることにより、これら構成要素の接触界面で発生する反射波の影響を抑制できる。音響レンズ系６の屈折面で発生する反射波は、透過光の減少を招くため、像１８の輝度を低下させる要因になる。また、音響レンズ系６の屈折面、音波吸収部１０と光音響媒質８との界面、および光音響媒質８の音波吸収部１０に接していない端面で発生する反射波は、像１８の画質を低下させる要因にもなる。これらの反射波は、光学分野における迷光に相当し、結像に寄与しない。これらの反射波の増加は、画像のＳ／Ｎ比の低下、コントラストの低下や、被撮影物体４の像以外の像の重畳（ゴースト）を引き起こす。これらの反射波のうち、主要な成分は、音響レンズ６の屈折面で発生する成分、および光音響媒質８の音波吸収部１０に接している面で発生する成分である。従って、上記３つの構成要素間に音響整合層を設け、これら３つの構成要素による反射波の発生を抑制してもよい。

（５）光源１９
光源１９は、上述したように互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された平面波の光束１４を出射する。光束１４が、音響レンズ系６の音軸７に対して、非垂直かつ非平行な角度をなして光音響媒質部８に入射するように、光源１９は、光音響媒質部８に対して配置される。光束１４を構成する複数の単色光のそれぞれは、同一波長の平面波光束であり、進行方向を除いて、波長および位相が互いに揃っている。図３Ａに示すように、例えば、光源１９は、単色光光源１１と、ビームエクスパンダー１２と、均一照明光学系３１とを含む。

単色光光源１１は光軸１３に平行な干渉性の高い光束を生成する。つまり、光束内の光は、波長および位相が揃っている。具体的には、単色光光源１１が出射する光束のスペクトル幅（半値幅）は１０ｎｍ未満であってよい。

単色光光源１１としては、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表されるガスレーザーや固体レーザー、外部共振器で狭帯域化された半導体レーザーなどを用いることができる。単色光光源１１は、連続的に光束を出射してもよいし、パルス状の光束であってもよい。単色光光源１１から出射する光束の波長は、光音響媒質部８において伝搬損失の少ない波長帯内であってよい。例えば、光音響媒質部８としてシリカナノ多孔体を用いる場合は、６００ｎｍ以上の波長を有するレーザーを単色光光源１１として用いてもよい。

ビームエクスパンダー１２は、単色光光源１１から出射した光束の口径を拡大し、口径が拡大された平面波光束３２を出射する。ビームエクスパンダー１２では、口径は拡大するが、光束の波面状態は維持される。このため、ビームエクスパンダー１２を透過した光束も平面波である。

図３Ｂ（ａ）は均一照明光学系３１の構成を示す模式図である。均一照明光学系３１は、フライアイレンズ４１とコンデンサレンズ４２とを含む。フライアイレンズ４１は、二次元に配置された複数の単レンズによって構成される。各単レンズは、平面波光束３２の光軸１３に平行な光軸を有する。また、各々の単レンズの焦点は、全て、光軸１３に垂直な平面である焦点面４６上に位置する。各単レンズは、互いに異なる開口形状および開口径を有していてもよい。また、フライアイレンズ４１の焦点距離が異なっていてもよい。この場合には、焦点が焦点面４６に一致するように各フライアイレンズ４１の位置を光軸１３に対して平行移動させればよい。コンデンサレンズ４２は、ｆｃの焦点距離を有し、コンデンサレンズ４２の光軸は、平面は光束３２の光軸１３に平行である。コンデンサレンズ４２は、焦点面４６から距離ｆｃだけ離れた場所に配置される。コンデンサレンズ４２の光軸は平面波光束３２の光軸１３と一致している。

平面波光束３２がフライアイレンズ４１に入射すると、平面波光束３２が分割され、単レンズごとに集光されたスポットが焦点面４６上に形成される。フライアイレンズ４１がｎ個の単レンズを有する場合、スポットの総数はｎである。焦点面４６で収束したｎ個の光束は、焦点面４６上のスポットを中心とする球面波光束となってコンデンサレンズ４２に向かう。焦点面４６はコンデンサレンズ４２の焦点面でもあるので、コンデンサレンズ４２により各球面波光束は平面波光束に変換される。しかし、光軸１３上に位置する単レンズ以外の単レンズによる焦点面４６上のスポットは、光軸１３から平行にシフトしているため、光軸１３上に位置する単レンズ以外の単レンズによる平面波光束は、距離ｆｃだけ隔てた平面上において光軸１３を横切るように、コンデンサレンズ４２から光軸１３に対して斜めに出射する。つまり、単レンズによる平面波光束は、コンデンサレンズ４２の焦点に向かって進行する。このため、焦点には、単レンズの個数と同じｎ本の平面波光束が様々な角度で入射し、収束する。この焦点を含み光軸１３に垂直な面を、以下、均一照明面４３と呼ぶ。均一照明面４３において重畳されるｎ本の平面波光束は、単色光光源１１から出射する単色光の中心周波数における波長の１０倍以下の波面精度を有していてもよい。

複数の平面波光束が異なる角度で均一照明面４３を照明しているということは、均一照明面４３上の任意の位置の点において、角度の異なる多数の光線が入射していることを意味する。光音響撮像装置１０１が広い領域にわたって高い解像度で被写体４を撮影するためには、このように互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を用いることが重要である。その理由については、光音響撮像装置１０１の動作の説明において詳述する。

図５に示すように、光音響撮像装置１０１の光音響媒質部８において、均一照明面４３は光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９の全体を照射してもよい。これにより、光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９、あるいは、平面音波９によって生じる光音響媒質８の屈折率分布が生じている領域全体に様々な入射角度で平面波光束を入射させることができ、被写体４上の全撮像領域において高輝度で高画質な実像１８を生成することができる。このため、図１に示す平面波光束１４の断面積は、光音響媒質部８中おいて、平面音波９が伝搬する領域の断面積よりも大きくてもよい。

均一照明面４３において、より大きな入射角度（ここでの入射角度は、光軸１３と各単レンズによる平面波光束の進行方向のなす角度を言う）で平面波光束を重畳させる場合は、より小さなＦ数（Ｆ数＝焦点距離／レンズ開口直径）のコンデンサレンズ４２を用いてもよい。被写体４をより広範囲に撮像する場合、図２で示したように、音軸７に対してより傾いた平面音波が生成される。このような平面音波によるＢｒａｇｇ回折光を生成するためには、より入射角度の大きな平面波光束を用いることが好ましい。したがって、Ｆ数の小さなコンデンサレンズ４２を用いることにより、広範囲に被写体４の撮像が可能となる。

また、均一照明面４３上において、より多くの入射角度の異なる平面波を重畳させる場合は、図３Ｂ（ｂ）に示すようにフライアイレンズを多段化してもよい。図３Ｂ（ｂ）に示すように、単色光源から出射した平面波光束３２をフライアイレンズ４１ａおよびフライアイレンズ４１ｂを介してコンデンサレンズ４２に入射させてもよい。図３Ｂ（ｂ）に例示された光学系では、フライアイレンズ４１ａの１つの単レンズによる光束から、フライアイレンズ４１ｂによって３つの光束を生成している。したがって、均一照明面４３には、フライアイレンズ４５を構成する小レンズの個数の３倍の平面波光束が互いに異なる角度で入射する。

均一照明光学系３１は、入射角度の異なる光束群を生成する作用以外にも、均一な照度分布を持った光束を生成する光学系としても作用する。図３Ａの光学系で生成される平面波光束３２の光束断面における光強度分布は、概ね光軸１３を中心に回転対称性をもったガウス分布状である。しかし、均一照明光学系３１の作用により、均一照明面４３上においては、ほぼ均一な光強度分布となる。

均一照明面４３には、フライアイレンズ４１を構成する各単レンズに入射する光束が拡大されて投射されている。十分小さな開口を持つ単レンズをフライアイレンズに用いた場合、平面波光束３２に光強度分布があったとしても、各単レンズの開口が小さいために、各単レンズに入射する光束はほぼ均一な光強度分布を持つ。均一照明面４３には、そのような光束が拡大されて重畳されているので、ほぼ均一な光強度分布となる。なお、平面波光束３２の光束径に対して各単レンズの開口を小さくすればするほど、また、フライアイレンズを多段化すればするほど、均一照明面４３上で照度分布はより平坦になる。照度分布の平坦化は、照度ムラのない実像１８を形成するために有効である。

均一照明光学系３１は他の構成によって実現してもよい。図４Ａに示す均一照明光学系３１は、シングルモード光ファイバ２２３と、複数のシングルモード光ファイバ２２５と、シングルモード光ファイバ２２３および複数のシングルモード光ファイバ２２５を光学的に結合する光ファイバカプラアレイ２２２と、コンデンサレンズ４２とを含む。半導体レーザーなどからなる単色光光源１１から出射した、干渉性の高い平面波光束は、シングルモード光ファイバ２２３へ導かれる。シングルモード光ファイバ２２３の一端には、光ファイバカプラアレイ２２２が光学的に接続されている。シングルモード光ファイバ２２３に入射した平面波光束は接続された光ファイバカプラアレイ２２２にそれぞれ入射し、複数のシングルモード光ファイバ２２５を伝播する平面波光束に分割される。この時、複数のシングルモード光ファイバ２２５を伝搬光束の光量は概ね等しい。このような、光量の等分配は、例えば、光ファイバカプラアレイ２２２として光量を等分配する３分岐光ファイバカプラ（すなわち３ｄＢ光ファイバカプラ）を用いることによって実現できる。光ファイバカプラアレイ２２２として、１対多分岐型の光量等分配光ファイバカプラや、光量等分配型１対多分岐型光導波路を用いてもよい。光導波路による分岐を適用する場合は、シングルモード光ファイバと光導波路との間に線路変換部を挿入してもよい。例えば、光導波路端面と光ファイバ端面とを１波長未満で互いに接近させ、光導波路の光軸が光ファイバの光軸と一致するように、光導波路または光ファイバの位置を調整する微動機構を用いてもよい。また、線路変換部としてプリズムを用いてもよい。

シングルモード光ファイバ２２５の端面２２４は、コンデンサレンズ４２の焦点面４６上において２次元状に配置される。図４Ｂは、焦点面４６上での端面２２４の配置を示している。図４Ｂに示すように、端面２２４は、例えば三角格子状に配置される。各々の光ファイバの端面２２４から出射する光束により受像部１７上に形成される実像１８が、適当なオーバーラップで重畳されるように、三角格子の格子間隔を選定する。端面２２４は三角格子状以外の形状、例えば、正方格子状配置されていてもよい。

光ファイバ端面２２４から出射する光束の中心軸が光軸１３と平行となるように、各シングルモード光ファイバ２２５の向きを調整する。コンデンサレンズ４２を透過した各光束は、図４Ａを参照して説明したように、焦点距離に位置する均一照明面４３上において光軸１３が均一照明面４３と交わる点に向けて収束する。したがって、均一照明面４３上の任意の位置の点において、角度の異なる多数の光線が入射する状態が実現される。

図４Ｃに示す均一照明光学系３１は、シングルモード光ファイバ２２３と、複数のシングルモード光ファイバ２２５と、シングルモード光ファイバ２２３および複数のシングルモード光ファイバ２２５を光学的に結合する光ファイバカプラアレイ２２２と、コンデンサレンズアレイ２３１とを含む。

シングルモード光ファイバ２２３、複数のシングルモード光ファイバ２２５および光ファイバカプラアレイ２２２の構成は図４Ａの形態と同じである。

コンデンサレンズアレイ２３１は焦点距離ｆｃ’を有し、二次元に配列された複数の微小コンデンサレンズによって構成されている。各微小コンデンサレンズは、シングルモード光ファイバ２２５の端面２２４から焦点距離ｆｃ’離れた位置に配置されている。これにより、各シングルモード光ファイバ２２５から出射した光束は、微小コンデンサレンズによって平行光束に変換される。また、微小コンデンサレンズの配置によって、微小コンデンサレンズから出射した光束は、均一照明面４３上において光軸１３が均一照明面４３と交わる点に向けて収束する。したがって、均一照明面４３上の任意の位置の点において、角度の異なる多数の光線が入射する状態が実現される。

図４Ｄに示す均一照明光学系３１は、上述したコンデンサレンズおよびフライアイレンズの機能を有する光学素子２３５によって構成されている。光学素子２３５は、光学面２３５ａおよび光学面２３５ｂを有している。光学面２３５ａは、複数の単レンズ面からなるフライアイレンズ面によって構成されている。また、光学面２３５ｂはコンデンサレンズ面によって構成されている。コンデンサレンズ面の焦点距離はｆｃであり、フライアイレンズ面の各単レンズ面の焦点の位置である焦点面４６にコンデンサレンズ面の焦点の位置が一致するように光学素子２３５は設計されている。

図４Ｄに示す均一照明光学系３１は、図４Ａに示す均一照明光学系３１と同様に機能し、コンデンサレンズ面２３５ｂから出射した各光束は、図４Ａを参照して説明したように、焦点距離に位置する均一照明面４３上において光軸１３が均一照明面４３と交わる点に向けて収束する。したがって、均一照明面４３上の任意の位置の点において、角度の異なる多数の光線が入射する状態が実現される。図４Ｄに示す形態の均一照明光学系３１は、１つの光学素子によって構成できるという利点がある。光学素子２３５の形状が単レンズに比べて複雑になるが、例えば、低融点ガラス材を用いたプレス成型によって、光学素子２３５を製造することが可能である。

２．光音響撮像装置１０１の動作
次に光音響撮像装置１０１の動作を説明する。

図１に示すように、音波源１から上述した波形の音響波２が、被写体４に向けて送信され、被写体４において音響波２が反射または散乱し、散乱波５が生成する。生成した散乱波５は音響レンズ系６によって平面音波９に変換され、光音響媒質部８中を伝搬する。

上述したように、平面波光束１４は互いに進行方向の異なる多数の平面波光束より構成され、平面音波９も互いに進行方向の異なる多数の平面音波より構成される。しかし、まず、平面波光束１４は光軸１３に垂直な波面を持つ平面波光束のみよりなり、また、平面音波９は音軸７に垂直な平面音波のみよりなると仮定し、光音響撮像装置１０１の動作を説明する。

平面波光束１４は音響レンズ系６の音軸７に斜めに入射する。平面波光束１４の光軸１３は平面波光束１４の波面に対して角度θをなしており（平面音波９の波面への平面波光束１４の入射角度がθ）、音軸７と光源１９から出射する光束１４の光軸１３とがなす角度は９０°−θである。角度θは、０°、９０°、１８０°、および、２７０°を除く任意の角度であってよい。この角度θにおいて、平面波光束１４にＢｒａｇｇ回折が生じ、回折光２０１が生成する。回折光２０１が生じるための角度θは後述する。

上述したように、光音響撮像装置１０１では、音響波２の発射時刻は正確に制御されており、受像部１７での撮影時刻において、平面音波９は正確に光軸１３と音軸７との交点に到達している。具体的には、例えば、１ｎｓの時間精度で音響波２の発射間隔を制御した場合、５０ｍ／ｓの音速で光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９の位置誤差は５０ｎｍとなる。この位置誤差は、例えば、単色光光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザーの波長６３３ｎｍに換算すれば、０．０７９波長の位置誤差に相当する。したがって、音響波２の発射時刻を調整することにより、光音響媒質部８中において非常に高い精度で平面音波９の位置を制御することができる。

図６（ａ）は、平面音波９が平面波光束１４の光路を横切る瞬間において、平面波光束１４が平面音波９によってＢｒａｇｇ回折される様子を模式的に示している。平面音波９は、光音響媒質部８中を伝播する粗密弾性波である。したがって、光音響媒質部８中には、平面音波９の音圧分布に比例した屈折率分布が生成される。上述したように、音響波２は単一周波数の正弦波よりなるため、散乱波５および平面音波９も単一周波数の正弦波である。このため、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は、音軸７に平行な方向の周期が平面音波９の波長に等しく、屈折率の大きさが正弦波状に変化し、音軸７に垂直な方向には一様である周期構造となる。

このような屈折率分布は、平面波光束１４に対して、１次元回折格子として機能する。そのため、平面波光束１４が、以下で述べる回折条件を満足する角度θで平面音波９に入射すると回折光２０１が生じる。この１次元回折格子は格子面が平面であり、かつ、平面波光束１４の波面が平面であるので、回折光２０１は平面波光束となる。

光音響撮像装置１０１においては、音響波２は２周期より十分多い数の正弦波で構成されているため、屈折率分布における粗密の繰り返しも２以上である。したがって、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は１次元回折格子とみなせ、平面波光束１４はＢｒａｇｇ回折により回折する。Ｂｒａｇｇ回折では、図６（ａ）に示すように、平面波光束１４と回折光２０１が平面音波９に対して成す角度は等しく、それぞれ角度θである。角度θは、以下で述べるＢｒａｇｇ回折条件を満足する離散的な値である。音響波２が２周期程度の少数の正弦波で構成される場合は、回折光２０１は主にＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折により生成される。純粋なＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折は、平面波光束２０４と回折光２０１とが平面音波９の波面に対してなす角度が等しくなくても生じる。

Ｂｒａｇｇ回折はＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折より高強度の回折光２０１を生じるので、より音圧の小さい散乱波５を観察することができ、高感度化に寄与する。このため、光音響撮像装置１０１では、波数の多い正弦波よりなる音響波２を用いて、主にＢｒａｇｇ回折により生成する回折光２０１を用いてもよい。実際の撮像においては、数１０波未満の正弦波よりなる音響波２を用いるため、回折光２０１にはＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折光が含まれる。後述するようにＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折光の回折光２０１への混入は、良好な実像１８を形成する上で好適に作用する。

平面音波９によって生成された屈折率分布による１次元回折格子におけるＢｒａｇｇ回折条件を説明する。図６（ｂ）に示すように、平面音波９によって生成された回折格子２０２の格子間隔は、光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９の波長λａに等しい。平面波光束１４中の１本の単色光光線を単色光２０３とする。また、単色光２０３の波長をλｏとする。単色光２０３が回折格子２０２に入射した場合、各格子において微弱な散乱光が生成される。隣り合った格子面からの散乱光に着目すると、各格子面で同じ方向に散乱された２光線の光路長差（２×λａ×ｓｉｎθ）が、波長λｏの整数倍（ｍ×λ０，ｍ＝±１，±２， …）に等しいとき、２つの散乱光は強め合う。この強め合いが他の格子面でも生じるため、全体として高強度の散乱光、すなわち回折光を生じる。以上の理由により、回折光が観測される角度θは式（１）で表される。

式（１）はＢｒａｇｇ回折の条件であり、格子面に対する入射光線と出射光線の角度θを規定する。ｓｉｎ^-1は逆正弦関数を表す。純粋なＢｒａｇｇ回折は、回折格子２０２が無限数の格子面より構成される場合に生じる回折現象をいう。図６（ｂ）に示すように、格子面に対する入射光線と出射光線の角度は等しくθとなる。Ｂｒａｇｇ回折では、一般には次数ｍが小さいものほど高強度の回折光２０１が得られる。したがって、より弱い散乱波５を観測するためにはｍ＝±１の回折光２０１を用いてもよい。図１に示す光音響撮像装置において、回折光２０１はｍ＝＋１の回折光を示しているが、ｍ＝−１の回折光を用いた光音響撮像装置を実現してもよい。

回折光２０１は像歪み補正部１５に入射する。像歪み補正部１５の動作について、図７（ａ）を参照し説明する。図７（ａ）は、光音響撮像装置１０１において回折光２０１が１方向に収縮していることを示した模式図である。式（１）からわかるように、回折条件を満足するためには、平面波光束１４は平面音波９に対して斜めに入射しなければならない。ここで、平面音波９のビーム形状を直径Ｌの円形とし、回折光２０１の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とする。上述したように、平面波光束１４は平面音波９を包含するビーム径を持つこと、および、平面音波９の存在する領域においてのみ回折光２０１は生成されることから、回折光２０１のビーム形状は、図７（ａ）に記した座標系においてｙ軸方向に短径Ｌ×ｓｉｎθ、ｘ軸方向に長径Ｌを持った楕円形となる。すなわち、回折光２０１の波面上における光振幅分布は、平面音波９の波面上での音圧分布をｙ軸方向にｓｉｎθ倍した分布に比例する。

このため回折光２０１をそのまま、結像レンズ系１６によって、結像し、実像１８を生成した場合、実像１８はｙ軸方向へ歪んだ光学像となり、被写体４と実像１８との相似性が失われる。そこで、像歪み補正部１５により回折光２０１の歪みを補正する。

本実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズム３０１より構成される。図７（ｂ）は、アナモルフィックプリズム３０１の構成および作用を示した模式図である。図７（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、２個のくさび状プリズム３０３を含む。くさび状プリズム３０３の作用について図８を参照して説明する。図８は、くさび状プリズム３０３を透過する光線の様子を示した光線追跡図である。くさび状プリズム３０３は、屈折率ｎの回折光２０１に対して透明な材料によって構成され、２つの平面３０３ａ、３０３ｂを有する。平面３０３ａと平面３０３ｂとのなす角度をαとし、平面３０３ａに光束が入射する角度をおよび出射する角度を法線に対してθ₁およびθ₂とする。また、平面３０３ｂから光束が出射する角度を、法線に対してθ₃とする。２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における、平面３０３ａへ入射する光束の幅をＬｉｎ、平面３０３ｂから出射する光束の幅をＬｏｕｔとする。この時、式（２）の関係が成立する。

また、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における入射する光束とくさび状プリズム３０３から出射する光束のビーム径は異なる。Ｌｏｕｔ／Ｌｉｎで計算される光束拡大率は式（３）で示される。

式（２）、（３）から分かるように、くさび状プリズム３０３のα、ｎおよび角θ₁を適切に選択することにより、所望の光束拡大率を実現することができる。光束拡大率は、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面に垂直な方向では、α、ｎおよび角θ₁にかかわらず、変化しないため、くさび状プリズム３０３を用いれば、図７（ａ）に示す回折光２０１のｙ軸方向の幅を調整できる。

図７（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、図８に示したくさび状プリズム３０３を１個以上組み合わせることにより構成される。図７（ｂ）に示すように、２つの同一形状のくさび状プリズム３０３を用いると、アナモルフィックプリズム３０１への入射光と出射光を平行にすることができ、光学系調整が容易である。

このように、アナモルフィックプリズム３０１は光束ビーム径の拡大光学系として動作する。光音響撮像装置１０１において、くさび状プリズム３０３のα、ｎと入射角θ₁を選び、図７（ｂ）に示すように回折光２０１光束をｙ軸方向に１／ｓｉｎθ倍拡大する。これにより、直径Ｌの円形状の光束断面を有する歪み補正後の回折光３０２が得られる。したがって、歪み補正後の回折光３０２はその波面上において、平面音波９の波面上における音圧分布に比例した光振幅分布を有する。すなわち、歪み補正後の回折光３０２は、平面音波９とは波長が異なるものの、平面音波９の波面上の音圧分布を全て光振幅分布として再現しているため、被写体４と相似な実像１８が生成され得る。

図１に示すように、歪み補正後の回折光３０２は焦点距離Ｆを持つ結像レンズ系１６により集光される。歪み補正後の回折光３０２は平行光束であるので、結像レンズ系１６の光軸上の結像レンズ系１６から距離Ｆを隔てた、光軸に垂直な平面（焦点面）上に回折光３０２が集光され実像１８を形成する。この位置に、受像部１７を配置することによって、実像１８を電気信号に変換することができる。受像部１７は、典型的にはＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子であり、結像レンズ系１６の焦点近傍の光強度分布を、光学的画像として撮像し、電気信号に変換する。受像部１７は、その撮像面に形成された光学像を画像情報として捉えることができれば固体撮像素子に限らず、例えば写真用フィルムであってもよい。

画像処理部２０は、受像部１７から入力される電気信号に基づき、画像処理を行い、実像１８を構成する。このようにして、光音響撮像装置は、被写体４を撮影することができる。

これまでの説明において、平面波光束１４は光軸１３に垂直な波面を持つ平面波光束のみよりなり、また、平面音波９は音軸７に垂直な平面音波のみよりなるとした。しかし、図２を参照して説明したように、被写体４は音軸７上にある点ではなく有限の大きさを持つため、音響レンズ系６によって変換された平面音波９は、多数の音軸７に非垂直な平面音波を含む。本実施形態の光音響撮像装置は、平面波光束１４が進行方向の異なる複数の単色光の重畳によって構成されることにより、進行方向の異なる平面音波９であっても、Ｂｒａｇｇ回折光を生じさせることができる。

図９は、被写体４上であって、音響レンズ系６の焦点面２１上にある２点Ａ、Ｂにおいて発生した散乱波５が平面音波９に変換され、Ｂｒａｇｇ回折光が生成される様子を示している。点Ａは音軸７と焦点面２１の交点上に位置するが、点Ｂは音軸７上には位置しない。図２を用いて説明したように、点Ａで発生した散乱波５による平面音波９の波面Ａは音軸７に垂直な平面となる。しかし、音軸７外にある点Ｂで発生した散乱波５による平面音波の波面Ｂは音軸７に垂直な平面とはならず、図に示すように、波面Ｂは音軸７に対して角度ψをなす。ここで、角度ψは図２と同様に定義される。

光源１９で生成された多数の平面波光束の中で、光軸１３に平行な平面波光束９０１に着目する。平面波光束９０１が波面Ａに対してＢｒａｇｇ回折条件を満足する角度θで入射するよう、音軸７と光軸１３との角度は調整されている。そのため、波面Ａにおいて回折光が生成される。一方、波面Ｂに対する平面波光束９０１の入射角はθ−ψとなり、Ｂｒａｇｇ回折条件が満足されず、回折光は生成されない。したがって、平面波光束９０１のみでは点Ｂからの散乱波９に相当する回折光が生成されず、点Ｂに相当する光学像が実像１８から欠落する。

波面Ｂで回折光を生成するためには、図９に示すように、光軸１３から時計方向に角度ψ傾いた平面波光束９０２を照射する。平面波光束９０２は波面Ｂに角度θで入射するので、点Ｂからの散乱波９に相当する回折光が生成される。この場合は点Ｂに相当する光学像が実像１８に含まれる。

このように、点Ａと点Ｂに相当する光学像を実像１８として出現させるためには、平面波光束９０１と平面波光束９０２の両光束を用いることが好ましい。同様に、被写体４の点Ａおよび点Ｂ以外の点が実像１８中に正しく現れるためには、それらの点で発生する散乱波５による音軸７と非垂直な波面をもつ平面音波９によってＢｒａｇｇ回折光が生成することが好ましい。このための平面波光束は、音軸７と非垂直な波面Ａに対してθ以外のさまざまな角度で光音響媒質部８に入射することが好ましい。本実施形態によれば、光源１９は進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を出射するため、このような条件を好適に満たす。よって、焦点面２１に位置する被写体４の像を撮影することができる。

なお、焦点面２１上において、実際の被写体４は無数の点によって構成される。このため、被写体４を高い解像度で撮影するためには、無数の平面波光束を用意する必要があり、本実施の形態のような離散的な入射角度を持った有限本数の平面波光束だけでは、実像１８は、平面光束の本数に等しい個数の離散的な点からなる光学像になるようにも思われる。しかし、平面音波９はパルス状の音波であり有限数の波面から構成される。このため、光音響媒質部８中に形成される回折格子の格子面数も有限となる。上述したように、有限の格子面数の回折格子によって生じる回折光は、Ｂｒａｇｇ回折光に加えてＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折光を含む。Ｒａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折の回折条件は、入射角度に依存しないため、例えば、平面波光束９０１のみ照射した場合においても、実際には、点Ａだけでなく、その近傍の点の光学像が実像１８として生成される。したがって、実際には、生成する実像１８は離散的な点の集合ではなく、被写体４に相似な連続的な光学像となる。

ただし、Ｒａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折光の強度は弱いため、回折光２０１においてＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折が支配的になると、得られる被写体４の実像１８が不鮮明となる。したがって、回折光２０１におけるＢｒａｇｇ回折光の強度の割合が１／２以上であってよい。このためには、平面音波９は、式（４）で示される波面数N_min以上の波面を有するパルス状音波であることが望ましい。なお、式（４）において、n_aoは光音響媒質８の屈折率、λaは光音響媒質８中での音波波長、λoは単色光光源からの出射光の光音響媒質８中での波長を表す。

例えば、光音響媒質８として音速５０ｍ／ｓのナノフォームを適用し、５ＭＨｚの超音波を用いた場合、ナノフォームの屈折率はほぼ１であるので、N_min ＝ 13となる。したがって、この場合、１３波以上の波面数からなるパルス状超音波を用いれば、Ｂｒａｇｇ回折光が主要な回折光成分となる。

図７および図８を参照して説明したように、アナモルフィックプリズム３０１の光束拡大率は光線のアナモルフィックプリズム３０１への入射角（図８の角度θ１に相当）に依存する。このため、平面波光束において重畳されている複数の単色光に応じて生成される回折光は、アナモルフィックプリズム３０１へ異なる入射角度で、入射することにより、単色光ごとに光束拡大率が異なる。その結果、アナモルフィックプリズム３０１によって、被写体の像の歪みを補正しても、実像１８は歪曲収差を持つ。この歪を除去するため、本実施の形態では、図１に示すように画像処理部２０を有する。画像処理部２０では、受像部１７で撮像された画像データに対し、画像処理を行うことによって、残存する実像１８の歪を補正し、被写体４と相似な画像を得る。例えば、予め被写体４として方眼用紙を用いて実像１８を取得し、取得された実像１８が全面にわたって正しい方眼になるよう、画像処理を行う。

ただし、音響レンズ系６のＦ数が大きく（レンズ開口が小さく焦点距離が長い）、また、被写体４における撮像領域が小さい場合、回折光２０１に含まれる角度の異なる回折光のアナモルフィックプリズム３０１への入射角度の差は小さく、光束拡大率がほぼ一定とみなせる。このため、このような場合には、画像処理部２０による実像１８の歪補正を行わなくてもよい。

次に、本実施形態の光音響撮像装置における、被写体４および実像１８の大きさの関係を説明する。本実施形態の光音響撮像装置は、焦点距離ｆ、および、Ｆを持つ２つの光学レンズより構成される二重回折光学系の変形光学系とみなすことができる。図１０（ａ）に、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概略図を示す。

図１０（ａ）に示す二重回折光学系において、レンズ４０３とレンズ４０４は、それぞれ焦点距離ｆおよびＦを有する。両レンズは距離ｆ＋Ｆだけ離れた光軸４０９上に配置されている。また、両レンズ光軸は光軸４０９と一致している。一般に、焦点距離ｆｌを持つ凸レンズは、レンズを中心としてレンズからｆｌ離れた光軸上の２点に焦点を有する。フーリエ光学によれば、凸レンズの一方の焦点に置かれた物体と、もう一方の焦点における光学像は互いにフーリエ変換の関係にある。したがって、レンズ４０３による被写体４０１のフーリエ変換像が、もう１つの焦点面（すなわち、焦点を含み、光軸に垂直な平面）であるフーリエ変換面４０２に形成される。フーリエ変換面４０２はレンズ４０４の焦点面でもあることから、フーリエ変換面４０２上に形成された被写体４０１のフーリエ変換像のフーリエ変換像が、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される。すなわち、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される光学像は、被写体４０１に２回フーリエ変換を行ったものに相当する。２回フーリエ変換は相似写像（大きさを定数倍し、図形の向きだけを変換する写像）であるので、被写体４０１の２回フーリエ変換像である実像４０５は、被写体４０１と相似な図形となる。なお、実像４０５は被写体４０１の反転像としてレンズ４０４の焦点面に表れ、またレンズ４０３とレンズ４０４の焦点距離が異なることより、実像４０５の大きさは被写体４０１のＦ／ｆ倍となる。このように、図１０（ａ）の二重回折光学系においては、被写体４０１と相似な光学画像が実像４０５として出現し、ＣＣＤなどの撮像素子をレンズ４０４の実像が形成される方の焦点面に設置すれば、被写体４０１の撮像ができる。

本実施形態の光音響撮像装置は、２つの光学系の一方が音響系に置き換わっている二重回折光学系とみなせる。図６および図７を参照して説明したように、本実施形態の光音響撮像装置における回折光２０１の生成、および、像歪み補正部１５は、波長λａの平面波である平面音波９の波面上での振幅分布（音圧）を、波長λｏの平面波である歪み補正後の回折光３０２の振幅分布（光）に変換（転写）する波長変換部４０６とみなすことができる。したがって、本実施形態の光音響撮像装置は、光学系および音響系が混在する光音響混在型光学系であり、図１０（ａ）に示すレンズ４０３およびレンズ４０４を、図１０（ｂ）に示すように、音響レンズ系６および結像レンズ系１６に置き換え、これら２つのレンズ系の間に、波長をλａからλｏに変換する波長変換部４０６で音響波から光波に変換することによって、本実施形態の光音響撮像装置は、は図１０（ａ）に示す二重回折光学系と同様の動作を行う。したがって、フーリエ光学より、図１０（ｂ）の光音響混在型光学系においても、図１０（ａ）と同様に、被写体４０７と相似な光学画像が倒立した実像として結像レンズ系１６の焦点面上で得られる。

ただし、波長変換部４０６の前後で波長はλａからλｏに変わる。図１０（ｂ）の光音響混在型光学系において、被写体４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍となる。λｏ／λａが極端に小さい場合、すなわち、平面波光束１４の波長に比べ、光音響媒質部８での音響波の波長が非常に長い場合は、Ｆ／ｆを大きくとって（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくし、実像１８が極端に小さくならないようにすることによって、受像部１７で得られる光学画像の分解能が落ちないようにしてもよい。

このように、本実施形態の光音響撮像装置によれば、互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を、被写体から得られる散乱波が伝搬する光音響媒質部に透過させ、散乱波による平面音波によって生じた屈折率分布による回折光を生成する。散乱波を音響レンズ系によって、光音響媒質を伝搬する平面音波に変換する際、音響レンズ系の音軸から離れた位置にある被写体からの散乱波は音軸に対して非平行に進行する。しかし、光束に重畳される複数の単色光の進行方向が異なるため、音軸から離れた位置からの散乱波によって生じた光音響媒質の屈折率分布に対してもＢｒａｇｇ回折光が生じる。その結果、音響レンズ系の音軸以外の位置においても被写体を、低収差かつ高分解能で撮影することが可能となる。つまり、軸外収差の少ない高分解能な画像を得ることができる。

また、本実施形態によれば、光音響撮像装置は、音響系および光学系による二重回折光学系を構成しているため、音響系と光学系との間の距離を短くすることが可能であり、これにより、光音響撮像装置を小型化することができる。また、被写体を水などの液体で満たす必要がなく、任意の方向から被写体を撮影することが可能となる。

本実施形態では、光音響撮像装置１０１の音響レンズ系６の焦点距離は固定されているが、上述したように音響レンズ系６は通常の写真レンズのような合焦機構（焦点調節機構）を有していても良い。音響レンズ系６の焦点が固定されている場合、シャープな実像１８が得られるのは、音響レンズ系６の焦点面近傍領域（正確には音響レンズ系６の光学特性と受像部１７の画素サイズより決定される被写界深度内）に位置する被写体４のみである。そこで、音響レンズ系６の焦点を調整し得る機構を音響レンズ系６に設けることにより、被写体４を光軸方向に撮像することが可能となる。このように、合焦機構を設けることにより、三次元領域の撮影が可能となる。

また、本実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、音波吸収部１０から被写体４の方向に傾けて、平面波光束１４を照射している。しかしながら、図１１（ｂ）に示すように、被写体４側から音波吸収部１０方向に傾けて平面波光束１４を照射してもよい。ただし、図１１（ｂ）に示すように平面波光束１４を照射する場合、図１１（ａ）の構成で生成される実像に対して、図１１の紙面を鏡像対称面にとした鏡像関係にある実像が得られる。そのため、被写体４の正しい向きの実像１８を得るためには、撮影された画像に対して、平面鏡などで１回反射させて光学的に鏡像反転させたり、画像処理部２０によって鏡像反転を行うことが好ましい。

また、本実施形態では、像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用いたが、同様の光学的作用を有する他の光学系を用いてもよい。例えば、２枚の集光型シリンドリカルレンズを用いて像歪み補正部１５を構成してもよい。図１２に示すように、シリンドリカルレンズ１５１は、図中に設定した座標系のｙｚ面に平行な面内においては集光レンズとして機能するが、ｘｚ平面に平行な平面においては集光作用をもたない光学素子である。図１３に示すように、集光作用のある平面が互いに直交した２枚のシリンドリカルレンズ１６１、１６２を組み合わせた光学系は、像歪み補正部１５と結像レンズ系１６の作用を兼ね備えた光学系として機能する。図１３に示すように、シリンドリカルレンズ１６１は、ｘｙ平面の光をｙ軸に平行な直線上に集光し、シリンドリカルレンズ１６２はｙｚ平面の光をｘ軸に平行な直線上に集光する。シリンドリカルレンズ１６１の方がシリンドリカルレンズ１６２よりも長い焦点距離を有することによって、ｙｚ平面とｘｚ平面で異なる比率で結像する光学系として機能する。この光学系を図７（ａ）に示す座標において、同じ方向に配置すれば、光音響撮像装置１０１の像歪み補正部１５として好適に機能する。具体的には、図３における光束の扁平率ｓｉｎθを補正するように、ｙ軸方向とｘ軸方向の像の比率が１／ｓｉｎθとなるように、両レンズの焦点距離を選ぶ。より具体的には、シリンドリカルレンズ１６２の焦点距離が、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離のｓｉｎθ倍になるように選択する。この場合、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離は、被写体４と実像１８の相似比より決定される。

なお、像歪み補正部１５と結像レンズ系１６の代わりに図１３の光学系を用いた光音響撮像装置１０１においては、シリンドリカルレンズ１６１とシリンドリカルレンズ１６２の歪曲収差が十分に補正されている限り、画像処理部２０による歪み補正は行わなくてよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明による光音響撮像装置の第２の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態の光音響撮像装置１０２を模式的に示している。光音響撮像装置１０２は、音響波２として超音波を用い、非侵襲的に人や動物等の体内器官を撮像する。図１４に示すように、光音響撮像装置１０２は、第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と同じ構成を備えているが、従来の超音波プローブと同様に図１に示した光音響撮像装置１０１の全て、あるいは、光源１９を除く構成をプローブ２１３内に備えている。

図１４に示すようにプローブ２１３の探触面２１３ａに、音波源１および音響レンズ系６が配置されている。図１４に示すように、撮像時、プローブ２１３の探触面２１３ａを被検者２１０の体表面に接触させ、体外から音波源１から発生した音響波２を体内中に送波する。この時、体表面での反射減衰を低減させるために、探触面２１３ａと体表面との間に整合用ジェルやクリーム、音響インピーダンス整合層を介在させ、音響インピーダンスの整合を取ってもよい。

音響波２は、体組織２１２を伝搬し、器官２１１において、反射、散乱され、散乱波５となる。散乱波５は、音響レンズ系６に到達し、音響レンズ系６により平面波に変換され、第１の実施形態で説明したように器官２１１の画像を得ることができる。光音響撮像装置１０２の音軸７（不図示）に垂直な面内にあり撮像領域外にある器官２１１の撮像は、従来の超音波プローブと同様に光音響撮像装置１０１を体表面で移動させることにより行うことができる。また、体内の異なる深さにある臓器は、第１の実施形態で説明したように音響レンズ系６の焦点調整機構によって、焦点位置を調整し、撮影することができる。

光音響撮像装置１０２を実現し得る具体的な構成例を、図１５を参照しながら説明する。音波源１から、例えば周波数１３．８ＭＨｚの正弦波２０波により構成されるバースト信号を出射する。このバースト信号の信号継続時間は１．４μｓｅｃである。また、体組織２１２中での音速は約１５００ｍ／ｓであるので、体組織２１２中における超音波正弦波の波長は約１１０μｍであり、超音波の進行方向に平行に測ったバースト信号の物理的な信号長は約２．２ｍｍである。したがって、この場合、最大で数１００ｋＨｚの振動数で振動している器官２１１を数１００μｍの空間分解能で撮影することができる。

光音響媒質部８として、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体を用いる。シリカナノ多孔体は、低音速であり、超音波の伝播波長が短いので大きな回折角が得られる。また、シリカナノ多孔体は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有している。このほか、フロリナートも波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有し、フロリナートの音速は約５００ｍ／ｓであるため、光音響媒質部８として適している。

光源１９として波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いる場合、１次回折光の回折角は５°となる。また、この場合、像歪み補正部１５で実現しなければならないビーム拡大率は約５．７４で、これは市販のアナモルフィックプリズムで補正可能な値である。

体内に照射可能な音響波の音圧には、安全性のため、上限が設けられている。そのため、生成される回折光の光強度が弱く、受像部１７としては感度の高いものが望ましい。また、画質や光量の観点から、平面音波９が平面波光束１４をよぎる瞬間の実像１８を捉えるため、更には、連写によって被写体４の動きを観測するため、受像部１７としては高速に撮像できる撮像素子を用いてもよい。例えば、受像部１７としては、高速のＣＣＤイメージセンサー（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を用いる。実像１８の輝度が足りず撮像が困難な場合は、イメージ増倍管を上記イメージセンサーの直前に配置し、実像１８の輝度を高めるか、または、より高出力の光源１１を用いてもよい。

音響レンズ系６の説明で述べたように、音響インピーダンスの異なる音響媒質間の界面では音響波の反射が生じ、実像１８の輝度や像質の低下を招く。界面における音響インピーダンス差が大きいほど、反射も大きくなる。このため、図１５に示すように、音響レンズ系６と媒質３との界面に反射防止膜を設けてもよい。例えば、音響レンズ系６の媒質３（体組織２１２）に接触するレンズを、音速５０ｍ／ｓ、密度０．１１ｇ／ｃｍ³のシリカナノ多孔体によって構成する場合、６．２μｍの厚さを有し、音速３４０ｍ／ｓ、密度０．２／ｃｍ³のシリカナノ多孔体からなる、１／４波長反射防止膜をレンズの表面に形成してもよい。

受像部１７上で、被写体４に比べて１／５の大きさの実像１８を得る場合、Ｆ／ｆ＝１．１４となる。第１の実施形態で説明したように、被写体４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍であるので、（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）＝１／５の関係式が成立する。そのため、Ｆ／ｆ＝λａ／λｏ／５となり、光の波長λｏ＝６３３ｎｍと、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体の１３．８ＭＨｚ超音波の光音響媒質部８中の波長λａ＝３．６μｍを代入すれば、Ｆ／ｆ＝１．１４が得られる。したがって、焦点距離５０ｍｍを有する音響レンズ系６を用いる場合、焦点距離５７ｍｍの結像レンズ系１６を用いることになる（Ｆ＝１．１４×ｆ＝１．１４×５０ｍｍ）。

図１０を参照して説明したように、被写体４に対する実像１８の相似比（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくする場合、結像レンズ系１６の焦点距離が長くなり、光音響撮像装置１０２が大型化する。この場合、結像レンズ系１６として、例えば、カセグレン光学系に代表される折り返し型反射光学系を用いることによって、この課題を解決することができる。折り返し型反射光学系の適用により、結像レンズ系１６と実像１８の距離を実際の焦点距離Ｆよりも近づけて配置することが可能となり、光音響撮像装置１０２を小型化することができる。

また、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆよりも近づけて配置することによっても、光音響撮像装置１０２の小型化を図ることができる。図１０を参照しながら、光音響撮像装置１０１の光音響混在型光学系は、光学分野における二重回折光学系とみなせることを説明した。二重回折光学系の基本構成は、音響レンズ系６と結像レンズ系１６を各々レンズの焦点距離の和ｆ＋Ｆだけ離して配置する。しかしながら、音響レンズ系６と結像レンズ系１６間の距離をｆ＋Ｆ以外の値に設定しても、実像１８の光学像形成には影響しない。すなわち、実像１８の光学像を光強度分布として取得する限り（あるいは、実像１８の位相分布情報を観測しない限り）、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆより短縮しても良く、光音響撮像装置１０２を更に小型化することができる。

本実施形態では、体外から人や動物等の体内器官を撮像する光音響撮像装置１０２の例を説明したが、本発明は、カテーテルや内視鏡、および、腹腔鏡等を通じて体内から臓器や血管壁を撮像する光音響撮像装置として実施してもよい。

（第３の実施形態）
本発明による光音響撮像装置の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態の光音響撮像装置は、音響レンズ系６の構成が異なることを除き第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と同じである。このため、音響レンズ系６の構成のみを説明する。図１６は、本実施形態における音響レンズ系６の構成を示している。

第１の実施形態では、音響レンズ系６は全てシリカナノ多孔体で構成されていた。シリカナノ多孔体は、作製条件を調整することにより、シリカナノ多孔体中の超音波などの音響波の音速を広範囲に変えることができるという利点がある。媒質３の音速に対するシリカナノ多孔体の音速の比は、光学系における屈折率に相当する。つまり、シリカナノ多孔体は、様々な（超音波に対する）屈折率を実現しやすいフレキシブルな音響媒質である。そのため、シリカナノ多孔体を音響レンズ系６の構成部材として適用すると、音響波に対する屈折率の広範な選択性のため、音響レンズ系６の設計自由度が広がり、通常の多群構成の光学レンズと同様に各収差を良好に補正し、イメージサークルの広い音響レンズ系６を構成することができる。なお、イメージサークルとは、良好な結像特性が得られる焦点面上の領域を意味する。

第１の実施形態の音響レンズ系６はこのような利点を有するが、シリカナノ多孔体同士を接合するため、それに付随した以下に述べる課題が生じる。例えば、音響レンズ系６が単レンズ構成であったとしても、図１５に示した具体例のように光音響媒質部８にシリカナノ多孔体を適用する場合には、シリカナノ多孔体同士の接合が生じる。また、音響レンズ系６が多群レンズ構成であり、光学分野のアクロマートレンズのように張り合わせレンズを用いる場合にも、シリカナノ多孔体同士の接合が生じる。

シリカナノ多孔体と空気の音響インピーダンスは大きく異なる。したがって、接合面における反射波の生成を抑圧するためには、シリカナノ多孔体同士の接合面間に空気層が挟まれないように作成することが重要である。しかしながら、シリカナノ多孔体の作成プロセス上、空気層を挟まないように接合することは極めて難しい。したがって、第１の実施形態における音響レンズ系６では、接合面における反射波発生を抑圧することが困難である。

本実施形態の音響レンズ系６は、このような課題を解決するために、反射型音響系で構成されている。図１６は、音軸７０６を含む平面における音響レンズ系６の断面図である。音響レンズ系６は、音響導波路７０４と、音響導波路７０４の内部に設けられた反射面である主鏡７０２および副鏡７０１を有する。また、音響導波路７０４内部に光音響媒質部が形成されている。音響導波路７０４は、図１６の紙面を鏡像対称面とした鏡像対称の構造を有する。図１６に示す断面構造を、音軸７０６を軸として１８０度回転させる。得られた回転体を、音軸７０６を含む平面を鏡像対称面として、鏡像対称面を挟み、これに平行な２平面で切断する。これにより、音響導波路７０４の立体形状が得られる。このような音響導波路７０５は、例えば、切削加工等で反射面を持った金属製の音響導波路７０５を作成し、作成した音響導波路中に等方的なシリカナノ多孔体を封入して、光音響媒質部８と音響レンズ系６を一体整形する。このようなプロセスによってシリカナノ多孔体同士の接合部位を全て排除しながらも、収差補正の良好な音響レンズ系６を得ることができる。

本実施形態に好適な反射型光学系の例としては、図１６に示しように、凹面鏡である主鏡７０２と凸面鏡である副鏡７０１により構成されるカセグレン型光学系がある。更に主鏡７０２と副鏡７０１の面形状としてリッチー・クレチアン光学系を適用すれば、短焦点化した際のカセグレン型光学系の残存収差を良好に補正することができ、広いイメージサークルを実現することができる。リッチー・クレチアン光学系には焦点に像面湾曲が残るので、シリカナノ多孔体の焦点側の界面（反射防止膜７０３を施してある面）に曲面加工を施して補正レンズとして機能させ、この像面湾曲を補正することができる。反射型光学系として、副鏡７０１に凹面鏡を使うグレゴリー型光学系や、シュミット・カセグレン型光学系などの他のカタディオプトリック型光学系を用いてもよい。

音響レンズ系６として反射型光学系を適用することにより、作成が困難な複数種類のシリカナノ多孔体の接合を行うことなく、単一のシリカナノ多孔体のみで収差が良好に補正された音響レンズ系６を構成できる。音響レンズ系６近傍における反射波発生がないため、高輝度で像質の良い実像１８の取得が可能となる。このため本実施形態によれば、より高輝度で高画質な画像を得ることのできる光音響撮像装置を実現することができる。

（第４の実施形態）
本発明による光音響撮像装置の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態の光音響撮像装置は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１７は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。

第１の実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いた光学系を備えていた。これに対し、本実施形態の像歪み補正部１５は、受像部１７により得られる実像８０１の信号に所定の処理を行い、画像処理によって実像８０１の補正を行う。

図１７に示すように、本実施形態では、アナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いることなく、歪んだままの回折光２０１を結像レンズ系１６で結像させる。この場合、実像８０１はｙ軸方向に歪んでいるが、この状態のまま実像８０１を受像部１７で取得する。画像処理部２０は、受像部１７から実像８０１を示す電気信号を受け取り、画像処理により実像８０１の像歪みを取り除く。例えば、図１７に示す座標系において、実像８０１をｙ方向に１／ｓｉｎθ倍する画像処理を行うことによって、被写体４と相似な画像を生成する。

本実施形態の像歪み補正部１５を用いれば、光音響撮像装置の構成に用いる光学素子の数を減らすことができるため、音響撮像装置を小型で低コストに提供することが可能となる。

なお、回折角θが小さい場合、受像部１７の撮像面上では、被写体４が、図７で設定した座標のｙ軸方向に大きく伸張して撮影される。このため、画像処理後の画像解像度がｘ軸方向、ｙ軸方向で異なる。この場合、図８に示す、光学的な像歪み補正部１５と、本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５との両方を光音響撮像装置が備えることにより、ｘ方向およびｙ方向における画素解像度をほぼ等しくすることが可能となる。

また、図７に示した光学的な像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用い、さらに本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５を用いる場合、多数の回折光２０１のアナモルフィックプリズム３０１への入射角度が異なることに起因する像面歪曲が発生するので、その収差補正も本実施形態の画像処理を行ってもよい。

（第５の実施形態）
本発明による光音響撮像装置の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態の光音響撮像装置は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１８は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。

回折光の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とした場合、本実施形態の像歪み補正部１５は、図１８に示す座標のｘ軸方向に回折光２０１の光束幅をｓｉｎθ倍する縮小光学系９０１を含む。平面音波９の音束の断面形状が直径Ｌの円形であるとすると、回折光２０１の光束の断面形状は、ｘ軸方向にＬ、ｙ軸方向にＬ×ｓｉｎθの楕円となる。縮小光学系９０１により、回折光２０１はｘ軸方向にｓｉｎθ倍されるため、歪み補正後の回折光９０２の光束の断面形状は、直径Ｌ×ｓｉｎθの円形となる。第１及び第２の実施形態では、像歪み補正部１５は回折光２０１を直径Ｌの光束に補正していたが、本実施形態では直径Ｌ×ｓｉｎθの光束に補正する。

第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、音響レンズ系６の焦点距離をｆ、結像レンズ系１６の焦点距離をＦ、超音波である平面音波９の波長をλａ、単色光である平面波光束１４の波長をλｏ、そして、回折角をθとする。このとき、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状は円形になるため、実像１８は被写体４と相似となる。また、フーリエ光学によれば、その相似比は（λａ×ｆ）／（λｏ×Ｆ）×ｓｉｎθとなる。ところが、（式１）の関係があるので、回折光２０１が＋１次回折光である場合、相似比は１／２×（ｆ／Ｆ）となる。

このように、縮小光学系９０１によって、相似比が超音波と単色光の波長に依存しなくなるため、例えば、ｆ／Ｆ＝２となるよう音響レンズ系６および結像レンズ系１６の焦点距離比を選べば、被写体４と同じ大きさの実像１８が得られ、高分解能で被写体４の画像を取得することが可能となる。さらに、ｆを短くすればＦも短くなるため、光音響撮像装置の小型化もはかることが可能となる。更に、歪み補正後の回折光９０２の光束が細くなることから、結像レンズ系１６の開口径が小さくなり、装置全体が小型化されると共に、結像レンズ系１６に高い面精度が必要ではなくなる。

第１および第２の実施形態では、被写体４に対する実像１８の相似比は（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）であった。図１５に示した具体例で述べたように、実際には単色光波長λｏに比べ超音波波長λａがかなり長いため、大きな実像１８を得るためには焦点距離の非常に長い結像レンズ系１６を用いる。このため、光音響撮像装置１０１が大型化するか、あるいは、特殊な光学系構成の結像レンズ系１６を用いる。これに対し、本実施形態によれば、像歪み補正部１５として縮小光学系９０１を用いることによって、小開口径で短い焦点距離の結像レンズ系１６を用いなが、実像１８を高解像度で撮影することが可能となり、かつ、光音響撮像装置の小型化が可能となる。

なお、本実施形態では、縮小光学系９０１がアナモルフィックプリズムで構成されているが、同様な作用を有する他の縮小光学系を用いてもよい。

また、本実施形態では、平面音波９の音束断面形状が直径Ｌの円形である場合、光束断面形状が直径Ｌ×ｓｉｎθの円形状の歪み補正後の回折光９０２を得ている。しかし、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるように矯正しても、結像レンズ系１６の焦点を短くし、撮影の解像度を高められる。例えば、２つの像歪み補正部１５を設け、図１８に示す座標において、ｘ軸方向に対しては縮小光学系を、ｙ軸方向に対しては拡大光学系を用いてもよい。具体的には、ｘ軸方向のビーム縮小率、ｙ方向のビーム拡大率を選び、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるようにすればよい。

また、本実施形態の像歪み補正部１５と第４の実施形態の像歪み補正部１５とを備えた光音響撮像装置を実現してもよい。歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状が図１７で設定した座標系において、ｘ軸方向にはＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）、ｙ軸方向にはＬ×ｓｉｎθの楕円形状となるよう縮小光学系９０１のビーム縮小率を設定する。これにより、撮影された画像の分解能を結像レンズ系１６の焦点面上によらずほぼ等しくすることができる。

（第６の実施形態）
本発明による光音響撮像装置の第６の実施形態を説明する。第６の実施形態の光音響撮像装置は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１９は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。

図１９に、実施の形態６の光音響撮像装置１０６の概略的な構成示す。光音響撮像装置１０６は、角度調整部１３０２および角度調整部１３０３をさらに備えている点で第１の実施形態の光音響撮像装置１０１と異なる。このため、他の構成要素の説明は省略する。本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付している。

図１９に示すように、像歪み補正部１５、結像レンズ系１６および受像部１７によって構成される光学系を、回折光結像光学系１３０４とする。また、光軸１３０１は、音軸７と光軸１３を含む平面内にあり、音軸７を対称軸として光軸１３に鏡像対称な直線である。

本実施の形態の光音響撮像装置１０６は、音軸７に対して光源１９の光軸１３のなす角度を調整する角度調整部１３０２と、音軸７に対して回折光結像光学系１３０５の光軸１３０１のなす角度を調整する角度調整部１３０３を有する。角度調整部１３０２と角度調整部１３０３とは互い連動しており、常に、音軸７と光軸１３の成す角度と、音軸７と光軸１３０１の成す角度とが等しくなるよう角度調整される。

第１の実施形態で説明したように、音響波２を構成する正弦波の周波数と、単色光光源１１からの出射光波長から、音軸７に対する回折光２０１の回折角９０°−θが決定される。したがって、本実施の形態の光音響撮像装置１０５は、音響波２の周波数が変わっても、角度調整部１３０２と角度調整部１３０３によって回折角を調整すれば被写体４を撮影することができる。

回折角を調整し得ることにより、光音響撮像装置１０６において、音響波２の周波数を自由に設定できる。これにより、まず低周波音響波で大まかに被写体４を撮影し、次に高周波音響波を用いて細部まで高精細に被写体４を撮影することができる。これにより、撮像時間の短縮や、画像データ量の削減を図ることができる。

本願に開示された光音響撮像装置は、種々の用途に用いられる、超音波画像を光学画像として取得することができるため、超音波診断装置用のプローブ等として有用である。また、光の届かない物体の内部であって、超音波が伝播可能な材質で構成されているのであれば、物体内部の弾性率分布を光学画像として観察できるので、非破壊振動測定装置等の用途にも応用できる。更に、高速撮像が可能であるという特徴により、本願に開示された光音響撮像装置は運動を非接触で測定する非接触振動計として利用可能である。

１ 音波源
２ 音響波
３ 媒質
４ 被写体
５ 散乱波
６ 音響レンズ系
７、１３、２３、７０６、１３０１、１７０１、１７０２ 光軸
８ 光音響媒質部
９ 平面音波
１０ 音波吸収部
１１ 単色光光源
１２ ビームエクスパンダー
１４、３２、２０４、９０１、９０２ 平面波光束
１５ 像歪み補正部
１６ 結像レンズ系
１７ 受像部
１８、１４１、１４２、４０５、４０８、８０１ 実像
１９ 光源
２０ 画像処理部
２１ 焦点面
３１ 均一照明光学系
４１、４４、４５ フライアイレンズ
４２ コンデンサレンズ
４３ 均一照明面
４６ 焦点面
１０１ 光音響撮像装置
１４３、１４４ 光束
１４５ 光路長差
１４６ 重畳後の実像
１４７、１４８ 像点
１５１、１６１、１６２ シリンドリカルレンズ
２０１、１７０５ 回折光
２０２ 回折格子
２０３ 単色光
３０１ アナモルフィックプリズム
３０２、９０２ 歪み補正後の回折光
３０３ くさび状プリズム
４０１、４０７ 物体
４０２ フーリエ変換面
４０３、４０４ レンズ
４０６ 波長変換部
７０１ 副鏡
７０２ 主鏡
７０３ 反射防止膜
７０４ 焦点
７０５ 音響導波路
９０１ 縮小光学系
１３０２、１３０３ 角度調整部
１３０４ 回折光結像光学系

Claims (20)

1. 音響波源と、
   前記音響波源から出射した音響波が被写体を照射することにより生じた散乱波を所定の収束状態に変換する音響レンズ系と、
   前記音響レンズ系を透過した散乱波が入射するように配置された光音響媒質部と、
   互いに進行方向の異なる複数の単色光が重畳された光束を出射する光源であって、前記光束が前記音響レンズ系の音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で前記光音響媒質部に入射する、光源と、
   前記光音響媒質部で発生する複数の前記平面波単色光の回折光を集光する結像レンズ系と、
   前記結像レンズ系によって集光された光を検出し、電気信号を出力する受像部と、
   を備える光音響撮像装置。
2. 前記回折光および前記電気信号によって表される前記被写体の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備える請求項１に記載の光音響撮像装置。
3. 各単色光のスペクトル幅は１０ｎｍ未満であり、前記単色光は、前記単色光の中心周波数における波長の１０倍以下の波面精度を持つ平面波である請求項２に記載の光音響撮像装置。
4. 前記音響レンズ系は屈折型音響系である、請求項１から３のいずれかに記載の光音響撮像装置。
5. 前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されている請求項４に記載の光音響撮像装置。
6. 前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備える請求項５に規定の光音響撮像装置。
7. 前記音響レンズ系は反射型音響系である請求項１から３のいずれかに記載の光音響撮像装置。
8. 前記音響レンズ系は２面以上の反射面を含む請求項７に記載の光音響撮像装置。
9. 前記音響レンズ系は、焦点距離調整機構を含む、請求項１から８のいずれかに記載の光音響撮像装置。
10. 前記結像レンズ系は焦点調整機構を含む、請求項１から９のいずれかに記載の光音響撮像装置。
11. 前記光源は、複数のフライアイレンズを含む請求項１から１０のいずれかに記載の光音響撮像装置。
12. 前記像歪み補正部は、前記回折光の断面を拡大する光学部材を含む請求項２から１１のいずれかに記載の光音響撮像装置。
13. 前記像歪み補正部は、前記回折光の断面を縮小する光学部材を含む請求項２から１１のいずれかに記載の光音響撮像装置。
14. 前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成される請求項１２または１３に記載の光音響撮像装置。
15. 前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む請求項１２から１４のいずれかに記載の光音響撮像装置。
16. 前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行う請求項２から１５のいずれかに記載の光音響撮像装置。
17. 前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含む請求項１から１５のいずれかに記載の光音響撮像装置。
18. 前記回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含む請求項１から請求項１７のいずれかに記載の光音響撮像装置。
19. 前記光源から出射する光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能である請求項１から１８のいずれかに記載の光音響撮像装置。
20. 前記音響波はパルス状である請求項１から１９のいずれかに記載の光音響撮像装置。

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