JP6012202B2 - Acoustic signal receiver - Google Patents

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Description

本発明は、音響信号受信装置に関するものである。   The present invention relates to an acoustic signal receiving apparatus.

エックス線、超音波、MRI(核磁気共鳴法)を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング技術を用いた装置の研究も医療分野で積極的に進められている。   Imaging devices using X-rays, ultrasound, and MRI (nuclear magnetic resonance) are often used in the medical field. On the other hand, research on devices using optical imaging technology that obtains in-vivo information by propagating light emitted from a light source such as a laser into a subject such as a living body and detecting the propagating light in the medical field It is being actively promoted.

このような光イメージング技術の一つとして、Photoacoustic Tomography(PAT:光音響トモグラフィー)が提案されている。PATにおいては、光源から発生したパルス光を被検体に照射することで、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から音響波(以降光音響波とも呼ぶ)が発生する。この光音響波を複数の個所で検出し、それらの信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化することができる。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を高い解像度で得ることができる。   As one of such optical imaging techniques, photoacoustic tomography (PAT: photoacoustic tomography) has been proposed. In PAT, an acoustic wave (hereinafter also referred to as a photoacoustic wave) is generated from a living tissue that has absorbed energy of light propagated and diffused in the subject by irradiating the subject with pulsed light generated from a light source. This photoacoustic wave can be detected at a plurality of locations, and the signals can be analyzed and information related to the optical characteristic values inside the subject can be visualized. Thereby, the optical characteristic value distribution in the subject, particularly the light energy absorption density distribution, can be obtained with high resolution.

音響波の検出器としては、圧電現象を用いたトランスデューサーが一般に用いられる。また、静電容量の変化を用いたトランスデューサーが一般に供されつつある。   As an acoustic wave detector, a transducer using a piezoelectric phenomenon is generally used. In addition, a transducer using a change in electrostatic capacity is generally provided.

さらに近年、光の共振を用いた検出器が研究報告されている(非特許文献1)。これはファブリーペロー型干渉計の原理に基づいて音響波を検出する技術(以下、FP方式とも称する)であり、広帯域な受信性能を有しており、高精細な画像が得られることが特長である。   In recent years, a detector using light resonance has been reported (Non-Patent Document 1). This is a technology that detects acoustic waves based on the principle of a Fabry-Perot interferometer (hereinafter, also referred to as FP method), and has a wide-band reception performance and is capable of obtaining high-definition images. is there.

しかしながら、FP方式は測定時間が長いという課題がある。例えば、非特許文献1では、光音響波の二次元分布データを取得する際に、光の反射率を評価するための測定光をガルバノメータによって走査している。つまり、1つのボリュームデータを取得するために、光の共振位置をラスタースキャンさせて、各位置でデータ取得する。それと同時に、測定位置毎に最適な波長に設定するために、測定波長を位置毎に変化させながらデータを取得している。そのため、数ミリメートル角の3次元像を得るために10分以上かかることが報告されている。   However, the FP method has a problem that the measurement time is long. For example, in Non-Patent Document 1, when acquiring two-dimensional distribution data of photoacoustic waves, measurement light for evaluating light reflectance is scanned by a galvanometer. That is, in order to acquire one volume data, the resonance position of light is raster-scanned and data is acquired at each position. At the same time, in order to set an optimum wavelength for each measurement position, data is acquired while changing the measurement wavelength for each position. Therefore, it has been reported that it takes 10 minutes or more to obtain a three-dimensional image of several millimeters square.

一般に測定器は、なるべく短時間でデータ取得することが実用の点で重要である。特に測定対象物が生体などの場合、体動により被検体の状態が逐次変化してしまうため、データ取得に時間を要すると正しい像が得られなくなってしまう。   In general, it is important from a practical point of view that a measuring instrument acquires data in as short a time as possible. In particular, when the object to be measured is a living body or the like, the state of the subject is sequentially changed by body movement, so that it is impossible to obtain a correct image if it takes time to acquire data.

そこで、弾性波の二次元分布を一括取得するために、二次元アレイ型センサとしてCCDカメラを用いてFP方式の受信素子にて取得した超音波の音圧を検出した例が報告されている(非特許文献2)。   Therefore, in order to collectively acquire a two-dimensional distribution of elastic waves, an example has been reported in which the sound pressure of an ultrasonic wave acquired by an FP-type receiving element is detected using a CCD camera as a two-dimensional array sensor ( Non-patent document 2).

特開2001−354732号公報JP 2001-354732 A

E.Zang,J.Laufer,and P.Beard,”Backward−mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry−Perot polymer film ultrasound sensor for high−resolution three−dimensional imaging of biological tissues”,Applied Optics,47,561−577(2008)E. Zang, J. et al. Laufer, and P.M. Beard, "Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues", Applied Optics, 47,561-577 (2008) M.Lamont,P. Beard,”2D imaging of ultrasound fields using CCD array to map output of Fabry−Perot polymer film sensor”,Electronics Letters,42,3,(2006)M.M. Lamont, P.M. Beard, “2D imaging of ultrafield fields using CCD array to map output of Fabry-Perot polymer film sensor”, Electronics Letters, 42, 3, (200).

上記で述べたとおり、FP方式の音波検出装置において、CCDなどを用いて二次元面内の光検出を一括取得することは測定時間短縮のために非常に有効である。しかしながら、本発明者らが実用化を視野にいれて鋭意検討したところによると、非特許文献2には記載されていない課題が明らかとなった。   As described above, in the FP-type sound wave detection apparatus, it is very effective to collect the light detection in the two-dimensional plane using a CCD or the like in order to shorten the measurement time. However, when the present inventors made extensive studies with a view to practical application, problems that are not described in Non-Patent Document 2 have been clarified.

FP方式は音響波を受信膜にて受信し、その音圧が到達した際の受信膜の僅かな厚みの変化を光によってモニタし、音圧を検出する方法である。すなわち、成膜された受信膜の膜厚が少しでも設計値と異なると、正しく音圧を測定することが出来なくなる。一般に受信膜の成膜にはプロセスばらつきが存在するため、ひとつの基板上であっても膜厚のばらつきが少なからず存在するが、この膜厚のばらつきが製品の設計許容値以内に収まっていれば実用に供することが可能となる。   The FP method is a method in which an acoustic wave is received by a receiving film, and a slight change in the thickness of the receiving film when the sound pressure reaches is monitored by light to detect the sound pressure. In other words, if the film thickness of the formed receiving film is slightly different from the design value, the sound pressure cannot be measured correctly. In general, there are process variations in the formation of the receiving film, so there are many variations in film thickness even on a single substrate, but this film thickness variation is within the design tolerance of the product. It can be used practically.

しかしながら、本発明者らが設計許容値を計算したところによると、FP方式の音響波検出器では数ナノメートルの膜厚分布が存在する場合であっても、受信感度に影響をおよぼすことが明らかとなった。つまり、二次元面内にて一括で正しく信号を受信しようとすると、数ナノメートル以内に膜厚分布を抑える必要がある。ところが現実的な成膜プロセスではこのような厳密な制御を行うことが極めて困難である。   However, according to the calculation of the design tolerance by the present inventors, it is clear that the FP acoustic wave detector affects the reception sensitivity even when a film thickness distribution of several nanometers exists. It became. In other words, if a signal is to be received correctly in a two-dimensional plane, it is necessary to suppress the film thickness distribution within a few nanometers. However, it is extremely difficult to perform such precise control in a practical film forming process.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、より高感度の特性を実現することを可能とすることにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize higher sensitivity characteristics even when a film thickness distribution exists in the receiving film in acoustic wave detection. There is.

本発明に係る音響信号受信装置は、測定光が入射される第1のミラーと、前記第1のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第2のミラーと、前記第1のミラーと第2のミラーとに挟まれて設けられ、屈折率を変調可能である音響波受信層と、音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第1のミラーと前記第2のミラーとの間の光路長の変化を検出する検出器とを有し、前記音響波受信層の屈折率分布により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償されるように構成されていることを特徴とする。   An acoustic signal receiving device according to the present invention includes a first mirror on which measurement light is incident, a second mirror that is disposed opposite to the first mirror and on which an acoustic wave from a subject is incident, An acoustic wave receiving layer provided between the first mirror and the second mirror and capable of modulating the refractive index, and the first mirror according to deformation of the acoustic wave receiving layer due to incidence of the acoustic wave And a detector for detecting a change in the optical path length between the second mirror and the refractive index distribution of the acoustic wave receiving layer, the variation in the optical path length due to the film thickness distribution of the acoustic wave receiving layer Is compensated for.

本願発明に係る音響信号受信装置は、測定光が入射される第1のミラー、前記第1のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第2のミラー、前記第1のミラーおよび第2のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層と、音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第1のミラー及び前記第2のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器とからなる音響信号受信装置であって、前記音響波受信層は屈折率を変調させる機能を有しているとともに、該屈折率変調量を制御するための制御部を有し、前記制御部は、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきに応じた値になるよう音響波受信層の屈折率を変化させることを特徴とする。   The acoustic signal receiving device according to the present invention includes a first mirror on which measurement light is incident, a second mirror that is disposed opposite to the first mirror and on which an acoustic wave from a subject is incident, the first mirror An acoustic wave receiving layer provided between the mirror and the second mirror, and an optical path between the first mirror and the second mirror according to deformation of the acoustic wave receiving layer due to the incidence of the acoustic wave An acoustic signal receiving device comprising a detector for detecting a change in length, wherein the acoustic wave receiving layer has a function of modulating a refractive index, and a control unit for controlling the refractive index modulation amount And the control unit changes the refractive index of the acoustic wave receiving layer so as to have a value corresponding to the variation in the optical path length due to the film thickness distribution of the acoustic wave receiving layer.

本発明によれば、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、より高感度の特性を実現することを可能とすることができる。   According to the present invention, even when a film thickness distribution exists in the receiving film in acoustic wave detection, it is possible to realize higher sensitivity characteristics.

従来のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the conventional Fabry-Perot type | mold interferometer. ファブリーペロー型干渉計の反射特性の一例を示す図。The figure which shows an example of the reflective characteristic of a Fabry-Perot type | mold interferometer. 本発明のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the Fabry-Perot type | mold interferometer of this invention. 本発明を適用できるファブリーペロー型探触子の構造の一例を示す図。The figure which shows an example of the structure of the Fabry-Perot type probe which can apply this invention. 本発明を適用できる生体情報イメージング装置の構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the biological information imaging device which can apply this invention. 本発明の実施形態における素子の作製プロセスの一例を示す図。4A and 4B show an example of a device manufacturing process in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における制御方法の一例を示す図。The figure which shows an example of the control method in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるタイムチャートの一例を示す図。The figure which shows an example of the time chart in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における電極構成の一例を示す図。The figure which shows an example of the electrode structure in embodiment of this invention. 本発明の実施例に用いる音響波受信層の分子構造の模式図。The schematic diagram of the molecular structure of the acoustic wave receiving layer used for the Example of this invention.

[受信素子を構成する基本形態]
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
[Basic configuration of receiving element]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

なお、本発明における測定光とは、ファブリーペロー(FP)型干渉計による測定に用いる光のことを指す。FP型干渉計に入射する入射光、およびFP型干渉計で反射しアレイ型光センサに導かれる反射光も全て測定光に含まれる。   In addition, the measurement light in this invention refers to the light used for the measurement by a Fabry-Perot (FP) type interferometer. The incident light incident on the FP interferometer and the reflected light reflected by the FP interferometer and guided to the array optical sensor are all included in the measurement light.

まず図1を用いて、従来報告されている光の共振を用いた音響波検出素子の説明を行う。この図に示すとおり、平行な反射板の間で光を共振させる構造をFP型干渉計という。今後このFP型干渉計を利用した音響波検出器をFP型探触子と呼ぶことにする。   First, an acoustic wave detecting element using resonance of light that has been conventionally reported will be described with reference to FIG. As shown in this figure, a structure that resonates light between parallel reflectors is called an FP interferometer. In the future, an acoustic wave detector using this FP interferometer will be referred to as an FP probe.

厚みdを持つ高分子膜104が、第1のミラー101と第2のミラー102で挟まれて、共振器103を形成する。図示したように、第1のミラー101と第2のミラー102はキャビティとなるように対向配置されている。第1のミラー101から入射光105を干渉計に照射する。このとき、反射光106の光量Irは次の式(1)のようになる。   A polymer film 104 having a thickness d is sandwiched between the first mirror 101 and the second mirror 102 to form the resonator 103. As shown in the figure, the first mirror 101 and the second mirror 102 are arranged to face each other so as to form a cavity. The interferometer is irradiated with incident light 105 from the first mirror 101. At this time, the light amount Ir of the reflected light 106 is expressed by the following equation (1).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

ここでφは、以下の式(2)で表される。   Here, φ is expressed by the following equation (2).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

ここで、Iiは入射光105の入射光量、Rは第1のミラー101と第2のミラー102の反射率、λは入射光105、および反射光106の波長、dはミラー間距離、nは高分子膜104の屈折率である。φは二枚のミラー間を往復する際の位相差に相当する。 Here, Ii is the amount of incident light 105, R is the reflectance of the first mirror 101 and the second mirror 102, λ 0 is the wavelength of the incident light 105 and the reflected light 106, d is the distance between the mirrors, and n Is the refractive index of the polymer film 104. φ corresponds to the phase difference when reciprocating between two mirrors.

反射率Ir/Iiをφの関数としてグラフ化したものの一例を図2(a)に示す。周期的な反射光量Irの落ち込みが生じ、φ=2mπ(mは自然数)となるときに反射率は最も低くなる。   An example of a graph of the reflectance Ir / Ii as a function of φ is shown in FIG. A periodic drop in the amount of reflected light Ir occurs, and the reflectance is lowest when φ = 2mπ (m is a natural number).

FP型探触子に音響波107が入射すると、探触子の変形によりミラー間距離dが変化する。これによってφが変化するため反射率Ir/Iiが変化する。反射光量Irの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波107を検出することができる。このような検出原理においては、反射光量変化が大きいほど、入射した音響波107の強度は大きいということになる。   When the acoustic wave 107 is incident on the FP probe, the distance d between the mirrors changes due to deformation of the probe. As a result, φ changes, so that the reflectance Ir / Ii changes. The incident acoustic wave 107 can be detected by measuring the change in the amount of reflected light Ir with a photodiode or the like. In such a detection principle, the greater the change in the amount of reflected light, the greater the intensity of the incident acoustic wave 107.

音響波107が入射した際に、反射光量Irが大きく変化するためには、φの変化に対する反射率Ir/Iiの変化率を大きくする必要がある。図2では、φにおいて、一番変化率が大きい、つまり傾きが急であるため、φにおいてもっとも感度が良い素子と言える。 In order for the reflected light amount Ir to change greatly when the acoustic wave 107 is incident, it is necessary to increase the rate of change of the reflectance Ir / Ii with respect to the change of φ. In Figure 2, the phi m, most change rate is large, that is because the slope is steep, it can be said most sensitive good elements in phi m.

反射率Ir/Iiをλの関数としてグラフ化したものを図2(b)に示す。反射率Ir/Iiの変化率が最も大きいλに波長を合わせることが位相差をφに合わせることに相当し、感度が最大になる。 Is a graph of a reflectance Ir / Ii as a function of the lambda 0 is shown in FIG. 2 (b). Matching the wavelength to λ m having the highest rate of change of the reflectance Ir / Ii corresponds to matching the phase difference to φ m and maximizes the sensitivity.

このように、FP型探触子では使用する測定波長が決まれば最適な膜厚が求められる。例えば、この図を参照すれば、単一波長λの光源を用いる場合の膜厚のばらつきは、概ね±0.05%以内に抑える必要がある。この数値を達成するためには、成膜技術としてかなり高度な精度が要求されることになる。 Thus, in the FP type probe, an optimum film thickness is required if the measurement wavelength to be used is determined. For example, referring to this figure, the film thickness variations when using a light source having a single wavelength lambda A, it is generally necessary to suppress within 0.05% ±. In order to achieve this numerical value, a considerably high accuracy is required as a film forming technique.

FP型探触子の受信面をxy平面とし、各位置での膜厚をd(x,y)とし、各位置での最適感度を表すφをφ(x,y)とすると、式(3)のように表現される。 If the receiving surface of the FP probe is the xy plane, the film thickness at each position is d (x, y), and φ m representing the optimum sensitivity at each position is φ m (x, y), It is expressed as (3).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

上記に基づいて、本発明の特徴とするところは、膜厚d(x,y)が場所によって変化する場合でも、φが場所によらず一定の値を取ることである。そのために、本発明では、膜厚dの面内分布を相殺するように、屈折率nに面内分布を持たせ、すべてのxy座標においてφがほぼ一定値となるようにする。つまり、光路長は屈折率nと物理的な厚みであるdの積で表せるが、このうちnについてもxy平面内で分布を持たせる。そのために本発明では、受信層に用いる膜の屈折率を変調させる機能を有する。その結果、式(4)で表されるような考え方を導入して、素子全体で光路長を一定にすることが可能となる。 Based on the above, the feature of the present invention is that even when the film thickness d (x, y) varies depending on the location, φ m takes a constant value regardless of the location. Therefore, in the present invention, in order to cancel out the in-plane distribution of the film thickness d, the refractive index n has an in-plane distribution so that φ m becomes a substantially constant value in all xy coordinates. In other words, the optical path length can be expressed by the product of the refractive index n and the physical thickness d, and n is also distributed in the xy plane. Therefore, the present invention has a function of modulating the refractive index of the film used for the receiving layer. As a result, it is possible to make the optical path length constant throughout the element by introducing the concept represented by the equation (4).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

以下、図3を用いて本発明の屈折率変調型FP方式音響波検出素子の説明を行う。基本的な構成は図1のものとほぼ同様である。図3に示したFP干渉計303は対向配置された2枚のミラー301と302で挟まれている。FP干渉計303において、音響波307を受信する層304の屈折率をn、膜厚をdとする。このとき位相差は、式(5)で表される。 Hereinafter, the refractive index modulation type FP acoustic wave detection element of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration is almost the same as that of FIG. The FP interferometer 303 shown in FIG. 3 is sandwiched between two mirrors 301 and 302 arranged to face each other. In FP interferometer 303, the refractive index of the layer 304 for receiving acoustic waves 307 n r, the film thickness is d r. At this time, the phase difference is expressed by Expression (5).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

これも図2と同様の特性を示す。FP型探触子に音響波307が入射すると、ミラー間距離dが変化する。これによってφが変化するため、反射率Ir/Iiが変化する。反射光量Irの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波107を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波107の強度は大きいということになる。   This also shows the same characteristics as in FIG. When the acoustic wave 307 enters the FP-type probe, the inter-mirror distance d changes. As a result, φ changes, and the reflectance Ir / Ii changes. The incident acoustic wave 107 can be detected by measuring the change in the amount of reflected light Ir with a photodiode or the like. The greater the change in the amount of reflected light, the greater the intensity of the incident acoustic wave 107.

ここで、測定光の波長λが固定値だとすると、位相差をφに合わせるためには他のパラメータを調整する必要がある。一般に、屈折率は材料によって決まる物性値であり、厚さdは製造プロセスによって決まるパラメータである。一方、本発明では受信層に用いる材料の屈折率を変調させる機能を有していることから、nを適宜調整することが可能となる。これにより、製造プロセスのばらつきで生じるdの分布に起因する光路長のばらつきを補償することが可能となる。ここで、ばらつきの補償とは、受信層の屈折率分布の調整前に比べて、受信層の膜厚分布の光路長ばらつきが低減されていればよい。 Here, if the wavelength λ A of the measurement light is a fixed value, it is necessary to adjust other parameters in order to adjust the phase difference to φ m . In general, the refractive index is a physical property value determined by a material, and the thickness d is a parameter determined by a manufacturing process. On the other hand, since the present invention has a function of modulating the refractive index of the material used for the receiving layer, n r can be adjusted as appropriate. Thus, it is possible to compensate for variations in optical path length caused by the distribution of d r caused by variations in the manufacturing process. Here, the compensation for the variation only requires that the variation in the optical path length of the film thickness distribution of the receiving layer is reduced as compared with that before the adjustment of the refractive index distribution of the receiving layer.

屈折率nの変調だけでは製造ばらつきを吸収しきれない場合には、測定光の波長を1つ増やし、FP探触子の領域を分けて、ある領域では波長λを用い、別の領域では波長λを用いるようにすることで、広い面積を補償可能となる。 If the manufacturing variation cannot be absorbed only by the modulation of the refractive index n r , the wavelength of the measurement light is increased by one, the FP probe region is divided, the wavelength λ A is used in one region, and another region Then, by using the wavelength λ B , a wide area can be compensated.

ばらつきの程度によってはこの波長の数をさらに増加させても良い。この場合、波長を連続可変するレーザーを用いることができる。   Depending on the degree of variation, the number of wavelengths may be further increased. In this case, a laser whose wavelength is continuously variable can be used.

FP型探触子では測定光である入射光105(305)が当たっている位置のみの反射光量変化を測定しているため、入射光のスポット領域が受信感度のある領域となる。そのため、入射光をガルバノメータ等でラスタースキャンすることにより、音響波の二次元分布データを得ることができ、これを用いて画像を得る。   Since the FP type probe measures the change in the amount of reflected light only at the position where the incident light 105 (305), which is the measurement light, is incident, the spot area of the incident light is an area having reception sensitivity. Therefore, two-dimensional distribution data of acoustic waves can be obtained by raster scanning incident light with a galvanometer or the like, and an image is obtained using this.

本発明の場合、入射光として単一波長を用いることが可能であるため、素子全面に同時に入射光を照射し、反射光をマトリクス型の画像センサを用いることで、ラスタースキャンすることなく高速に画像取得することもできる。例えば、デジタルカメラ用のCCDやCMOS撮像素子を用いることも可能である。   In the case of the present invention, since it is possible to use a single wavelength as incident light, it is possible to irradiate the entire surface of the element simultaneously with incident light and to use reflected light at a high speed without raster scanning. Images can also be acquired. For example, a CCD or CMOS image sensor for a digital camera can be used.

図4に、本実施形態におけるFP型探触子の断面構造を説明する図を示す。
第1のミラー401と第2のミラー402の材料としては誘電体多層膜や金属膜を用いることができる。ミラーの間には音響波受信層403が存在する。
音響波受信層403は、弾性波がFP型探触子に入射した際のひずみが大きいものが好ましい。例えば、有機高分子膜が用いられる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the FP probe according to the present embodiment.
As a material of the first mirror 401 and the second mirror 402, a dielectric multilayer film or a metal film can be used. An acoustic wave receiving layer 403 exists between the mirrors.
The acoustic wave receiving layer 403 preferably has a large distortion when an elastic wave is incident on the FP probe. For example, an organic polymer film is used.

また、音響波受信膜403は、屈折率を変調させる機能を有する。例えば、こうした機能を有する膜として、特許文献1等に記載の側鎖型高分子液晶や低分子液晶を、高分子マトリクスで安定化させた構成を用いることが出来る。なお、音響波受信層403は、音波を受信したときに膜が変形することと、屈折率変調の機能を有していればよいため、この条件を満たす限り、有機膜ではなく無機膜であっても構わない。   The acoustic wave receiving film 403 has a function of modulating the refractive index. For example, as the film having such a function, a structure in which a side chain type polymer liquid crystal or a low molecular liquid crystal described in Patent Document 1 or the like is stabilized with a polymer matrix can be used. Note that the acoustic wave receiving layer 403 is not limited to an organic film but an inorganic film as long as this condition is satisfied as long as the film is deformed when receiving sound waves and has a function of refractive index modulation. It doesn't matter.

例えば側鎖型高分子液晶材料を用いる場合、音響波受信層403の形成は以下のように行う。まず、電極を有する基板上に、一軸配向させた配向膜を配設し、その上に液晶材料を塗布する。その際、粘性の低い高温状態、例えば等方性を示す温度範囲において基板上に該液晶材料を塗布すると制御性が良い。   For example, when a side chain type polymer liquid crystal material is used, the acoustic wave receiving layer 403 is formed as follows. First, a uniaxially oriented alignment film is disposed on a substrate having electrodes, and a liquid crystal material is applied thereon. At that time, when the liquid crystal material is applied on the substrate in a high temperature state with low viscosity, for example, in a temperature range showing isotropic property, controllability is good.

塗布の方法はスピンコート法、スクリーン印刷法、展色法、ディップコート法などを用いることが可能である。その後、液晶相へと徐冷することによって、側鎖の方向が制御された側鎖型高分子液晶層を得ることが可能となる。   As a coating method, a spin coating method, a screen printing method, a color development method, a dip coating method, or the like can be used. Thereafter, by slowly cooling to a liquid crystal phase, a side chain type polymer liquid crystal layer in which the direction of the side chain is controlled can be obtained.

配向膜を用いない場合には、等方相から液晶相へと徐冷する際に、一定方向に磁場を印加することによって、側鎖の液晶分子の方向を揃えることも可能である。   When the alignment film is not used, it is possible to align the direction of the liquid crystal molecules in the side chain by applying a magnetic field in a certain direction when slowly cooling from the isotropic phase to the liquid crystal phase.

次に、こうして得られた液晶層の上に電圧印加のための電極を形成する。その際、液晶の配向状態を崩さないように、低温で成膜することが好ましい。なお、インクジェット方式で、金などの金属微粒子を溶媒中に分散させたものを塗布して、電極を形成してもよい。
こうすることで、基板上の電極上に液晶層が配され、さらにその上に電極を形成させた構成を得ることができる。
Next, an electrode for applying a voltage is formed on the liquid crystal layer thus obtained. At that time, it is preferable to form the film at a low temperature so as not to break the alignment state of the liquid crystal. Note that an electrode may be formed by applying an ink-jet method in which metal fine particles such as gold are dispersed in a solvent.
By doing so, it is possible to obtain a configuration in which the liquid crystal layer is disposed on the electrode on the substrate and the electrode is further formed thereon.

ここで、側鎖型高分子液晶の側鎖、すなわち液晶性を示す側鎖(メソゲン基)の誘電率異方性が正の場合には、これら電極間に電圧を印加することによって、電気力線と平行方向にメソゲン基が配列するよう配向変形が生じる。このメソゲン基の配列方向によって、基板法線方向から観測したときの屈折率が変化することになる。   Here, when the dielectric constant anisotropy of the side chain of the side chain type polymer liquid crystal, that is, the side chain exhibiting liquid crystallinity (mesogen group) is positive, an electric force is applied by applying a voltage between these electrodes. Orientation deformation occurs so that mesogenic groups are arranged in a direction parallel to the line. Depending on the arrangement direction of the mesogenic groups, the refractive index when observed from the substrate normal direction changes.

また、この屈折率変化量は、上記電圧に依存して制御させることが可能である。これにより、本液晶素子の一軸配向処理方向に偏光を与えたときの光路長を連続的に変調させることが可能となる。   Further, the amount of change in the refractive index can be controlled depending on the voltage. This makes it possible to continuously modulate the optical path length when polarized light is applied in the uniaxial alignment treatment direction of the present liquid crystal element.

一方、メソゲン基の誘電率異方性が負の場合には、上記基板上に配する配向膜として垂直配向膜を用いることにより、電圧印加によって前記と同様に光路長を連続的に変化させることができる。   On the other hand, when the dielectric anisotropy of the mesogen group is negative, by using a vertical alignment film as the alignment film disposed on the substrate, the optical path length can be continuously changed by applying voltage as described above. Can do.

その他に、例えば高分子安定化ブルー相の液晶を用いれば、偏光の方向によらず屈折率を変調させることが可能である。また、高分子分散型液晶を用いることも可能である。これらのように、低分子液晶と高分子マトリクスとを併用することによって、高分子部位にて超音波受信に必要な弾性を維持し、低分子液晶にて光路長を制御することが可能となる。この結果、受信層単層であっても、超音波の受信機能と屈折率の変調機能とを両立させることができる。すなわち、音響波受信層は補償層としても機能する。   In addition, for example, when a polymer-stabilized blue phase liquid crystal is used, the refractive index can be modulated regardless of the direction of polarization. It is also possible to use polymer dispersed liquid crystal. As described above, by using the low-molecular liquid crystal and the polymer matrix in combination, it is possible to maintain the elasticity necessary for ultrasonic reception at the polymer portion and to control the optical path length with the low-molecular liquid crystal. . As a result, even if the receiving layer is a single layer, it is possible to achieve both an ultrasonic wave reception function and a refractive index modulation function. That is, the acoustic wave receiving layer also functions as a compensation layer.

なお、屈折率を変調させる機能を有していれば、本発明の音響波受信層として用いることができるため、必ずしも液晶性材料を用いなくてもよい。例えば、濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用いれば、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与し、屈折率を制御することも可能となる。
なお、音響波受信層の屈折率を外部から変調するために、電極や駆動装置が配される。
In addition, since it can be used as the acoustic wave receiving layer of the present invention as long as it has a function of modulating the refractive index, a liquid crystalline material is not necessarily used. For example, when a charged substance having a different refractive index depending on the concentration is used, it is possible to control the refractive index by applying a concentration gradient from the outside using electrophoresis.
In addition, in order to modulate the refractive index of the acoustic wave receiving layer from the outside, an electrode and a driving device are arranged.

図4において、FP型探触子全体は保護膜405で保護されている。保護膜405としては、パリレンなどの有機高分子膜や、SiOなどの無機膜が用いられる。
基板404としては、ガラスやアクリルを用いることができる。その際、基板404内での光の干渉による影響を減らすために、基板404は楔形であることが好ましい。
さらに、基板404表面における光の反射を避けるために、ARコート処理406を施すことが好ましい。
In FIG. 4, the entire FP probe is protected by a protective film 405. As the protective film 405, an organic polymer film such as parylene, or an inorganic film such as SiO 2 is used.
As the substrate 404, glass or acrylic can be used. At this time, in order to reduce the influence of light interference in the substrate 404, the substrate 404 is preferably wedge-shaped.
Furthermore, in order to avoid reflection of light on the surface of the substrate 404, it is preferable to perform an AR coating treatment 406.

[システムを構成する基本形態]
図5に、本実施形態におけるイメージング装置の構成例を説明する図を示す。
本実施形態のイメージング装置は、被検体501に照射し光音響波502を発生させる光503を出射する光源504を備える。被検体501が生体である場合には、腫瘍、血管などの内部の光吸収体や、表面の光吸収体を画像化することが可能である。これら被検体501の内部もしくは表面における光吸収体が、光のエネルギーの一部を吸収することによって光音響波502が発生する。この光音響波502を検出するための、FP型探触子505を備える。
[Basic configuration of system configuration]
FIG. 5 illustrates a configuration example of the imaging apparatus according to the present embodiment.
The imaging apparatus of this embodiment includes a light source 504 that emits light 503 that irradiates a subject 501 and generates a photoacoustic wave 502. When the subject 501 is a living body, an internal light absorber such as a tumor or a blood vessel or a surface light absorber can be imaged. The photoacoustic wave 502 is generated by the light absorber in the inside or the surface of the subject 501 absorbing part of the light energy. An FP probe 505 for detecting the photoacoustic wave 502 is provided.

このFP型探触子505は、上述の膜厚分布に応じて屈折率を変化させることが可能な受信層が設けられており、外部から制御することが可能である。これを制御するための屈折率制御部517を備える。   The FP probe 505 is provided with a receiving layer capable of changing the refractive index in accordance with the above-described film thickness distribution, and can be controlled from the outside. A refractive index control unit 517 is provided for controlling this.

FP型探触子505には、測定光506を照射することによって音圧を検出させることができる。この測定光506を生成するための測定光用光源507を備える。また、測定光用光源507を制御するための制御部508を備える。測定光用光源507は単一波長光源を用いてもよいし、波長を切り替えられる光源を用いてもよい。連続的に波長可変できる光源を用いても良い。波長の切り替えや光照射のオンオフを制御部508にて行う。   The sound pressure can be detected by irradiating the measurement light 506 to the FP probe 505. A measurement light source 507 for generating the measurement light 506 is provided. In addition, a control unit 508 for controlling the measurement light source 507 is provided. The measurement light source 507 may be a single wavelength light source or a light source whose wavelength can be switched. A light source capable of continuously changing the wavelength may be used. The control unit 508 performs wavelength switching and light irradiation on / off.

さらに、FP型探触子505に入射した測定光506の反射光量を測定し、電気信号に変換するためのアレイ型光センサ509を備える。以上により音響信号受信装置が構成される。   Furthermore, an array type optical sensor 509 for measuring the amount of reflected light of the measurement light 506 incident on the FP probe 505 and converting it into an electrical signal is provided. The acoustic signal receiving apparatus is configured as described above.

上記音響信号受信装置に、さらに信号処理部510と画像表示部511を構成することによってイメージング装置を構成する。つまり本実施形態のイメージング装置では、アレイ型光センサ509で得られた電気信号を信号処理部510において解析し、得られた光学特性値分布情報を表示する画像表示部511を備える。   An imaging device is configured by further configuring a signal processing unit 510 and an image display unit 511 in the acoustic signal receiving device. That is, the imaging apparatus according to the present embodiment includes an image display unit 511 that analyzes an electrical signal obtained by the array type optical sensor 509 in the signal processing unit 510 and displays the obtained optical characteristic value distribution information.

測定光用光源507から出射した測定光はレンズ512で拡大され、FP型探触子505において反射したのちに、アレイ型光センサ509に入射する。これにより、FP型探触子505上の反射強度分布を得ることが出来る。光学系としてミラー513やハーフミラー514を用いる。光学系は、FP型探触子505における反射率を測定できるような構成であればよく、ハーフミラー514の代わりに偏光ミラーと波長板を用いる構成や、光ファイバーを用いる構成を採ることができる。この光学系により、FP型探触子505上の位置と、アレイ型光センサ509上のピクセルが対応づけられる。   The measurement light emitted from the measurement light source 507 is magnified by the lens 512, reflected by the FP probe 505, and then incident on the array type optical sensor 509. Thereby, the reflection intensity distribution on the FP probe 505 can be obtained. A mirror 513 or a half mirror 514 is used as the optical system. The optical system only needs to be configured so as to be able to measure the reflectance of the FP probe 505, and can employ a configuration using a polarizing mirror and a wave plate instead of the half mirror 514, or a configuration using an optical fiber. By this optical system, the position on the FP probe 505 and the pixel on the array type optical sensor 509 are associated with each other.

アレイ型光センサ509としては二次元アレイ型、一次元アレイ型の光センサを用いることができる。例えば、CCDセンサやCMOSセンサを用いることができる。FP型探触子505に光音響波502が入射した際の、測定光506の反射光量を測定し電気信号に変換できるものであれば、これ以外のアレイ型光センサも使用できる。   As the array type optical sensor 509, a two-dimensional array type or a one-dimensional array type optical sensor can be used. For example, a CCD sensor or a CMOS sensor can be used. Any other array type optical sensor can be used as long as it can measure the amount of reflected light of the measurement light 506 when the photoacoustic wave 502 enters the FP probe 505 and convert it into an electrical signal.

FP型探触子505のミラー間の距離は基板面内位置によりばらつきがあるため、それぞれの位置(アレイ型光センサ509上の対応づけされた各々のピクセル)において受信層の屈折率を調整し、素子面内において光路長を一定にする。   Since the distance between the mirrors of the FP probe 505 varies depending on the position in the substrate surface, the refractive index of the receiving layer is adjusted at each position (each pixel associated with the array type photosensor 509). The optical path length is made constant in the element plane.

被検体501へ照射する光503は、被検体501を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特性の波長の光を用いる。光503はパルス光を用いることが出来る。パルス光は、数ピコから数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノから数十ナノ秒のパルス光を採用することが好ましい。光503を発生する光源504としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなどを用いることも可能である。   The light 503 irradiated to the subject 501 uses light having a characteristic wavelength that is absorbed by a specific component among the components constituting the subject 501. As the light 503, pulsed light can be used. The pulsed light is on the order of several pico to several hundreds of nanoseconds, and when the subject is a living body, it is preferable to employ pulsed light of several nanometers to several tens of nanoseconds. A laser is preferable as the light source 504 that generates the light 503, but a light emitting diode, a flash lamp, or the like may be used instead of the laser.

光音響波発生用レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。発振する波長の変換可能な色素やOPO(Optical Parametric Oscillators)やTiS(Titanium Sapphire)を用いれば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。使用する光源の波長に関しては、生体組織による吸収が少ない700nmから1100nmの領域が好ましい。生体以外の被検体、もしくは生体において観測領域を表面近傍とする場合には、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば400nmから1600nmの波長領域、さらには紫外線領域、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。   As the photoacoustic wave generating laser, various lasers such as a solid-state laser, a gas laser, a dye laser, and a semiconductor laser can be used. If a oscillating wavelength-convertible dye, OPO (Optical Parametric Oscillators), or TiS (Titanium Sapphire) is used, a difference in optical characteristic value distribution depending on the wavelength can be measured. Regarding the wavelength of the light source to be used, a region of 700 nm to 1100 nm with less absorption by living tissue is preferable. When the observation region is close to the surface of a subject other than a living body or a living body, the wavelength region is wider than the above wavelength region, for example, a wavelength region of 400 nm to 1600 nm, and further an ultraviolet region, terahertz wave, microwave, radio, etc. The use of the wave domain is also possible.

図5では、FP型探触子505の影にならない方向から被検体501に対して光503を照射している。しかし、FP型探触子505が光503の波長を透過する構成にしておけば、FP型探触子505を通して光503を照射することも可能である。   In FIG. 5, the light 503 is irradiated to the subject 501 from a direction that does not become a shadow of the FP probe 505. However, if the FP probe 505 is configured to transmit the wavelength of the light 503, the light 503 can be irradiated through the FP probe 505.

被検体501から生じる光音響波502を効率的にFP型探触子505で検出するために、被検体501とFP型探触子505との間には音響結合媒体を使うことが望ましい。図5では音響結合媒体として水を用いて、水槽515中に被検体501が配置している図を示しているが、被検体501とFP型探触子505との間には音響結合媒体が介していれば良い。例えば、被検体501とFP型探触子505との間に、超音波診断用のマッチングジェルを塗る構成にしてもよい。   In order to efficiently detect the photoacoustic wave 502 generated from the subject 501 with the FP probe 505, it is desirable to use an acoustic coupling medium between the subject 501 and the FP probe 505. In FIG. 5, water is used as the acoustic coupling medium, and the subject 501 is arranged in the water tank 515. However, there is an acoustic coupling medium between the subject 501 and the FP probe 505. It only has to be through. For example, a matching gel for ultrasonic diagnosis may be applied between the subject 501 and the FP probe 505.

FP型探触子505は、被検体501に光503を照射した際に、光503のエネルギーの一部を吸収することで被検体内から発生する光音響波(超音波)502を、測定光506の反射光量変化として検出する。検出された光量はアレイ型光センサ509において電気信号に変換される。アレイ型光センサ509における電気信号の分布は、FP型探触子505上に届く光音響波502の強度分布を表していることになる。これにより、FP型探触子505上に到達する光音響波502の圧力分布を得ることが出来る。   The FP-type probe 505 absorbs a part of the energy of the light 503 when the subject 501 is irradiated with the light 503, and generates a photoacoustic wave (ultrasonic wave) 502 generated from the inside of the subject. This is detected as a reflected light amount change at 506. The detected light amount is converted into an electrical signal by the array type optical sensor 509. The distribution of the electric signal in the array type optical sensor 509 represents the intensity distribution of the photoacoustic wave 502 that reaches the FP probe 505. Thereby, the pressure distribution of the photoacoustic wave 502 that reaches the FP probe 505 can be obtained.

さらに、信号処理部510は抽出したアレイ型光センサ509における電気信号の分布に基づいて、被検体501内の光吸収体の位置や大きさ、あるいは光吸収係数あるいは光エネルギー堆積量分布などの光学特性値分布を計算する。   Further, the signal processing unit 510 performs optical processing such as the position and size of the light absorber in the subject 501, the light absorption coefficient, or the light energy deposition amount distribution based on the extracted electrical signal distribution in the array type optical sensor 509. Calculate the characteristic value distribution.

得られた電気信号の分布から光学特性値分布を得るための再構成アルゴリズムとしては、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算、モデルベース画像再構成などを採用することができる。なお、FP型探触子の音響波受信層403などに異物が存在するなどの理由で膜厚が著しく異常を示す領域は、あらかじめデータとして利用できないことを考慮した上で、画像再構成処理の際にデータ欠損部を補正して画像化することも可能である。   As a reconstruction algorithm for obtaining an optical characteristic value distribution from the obtained electric signal distribution, universal back projection, phasing addition, model-based image reconstruction, or the like can be employed. It should be noted that an area in which the film thickness is remarkably abnormal due to the presence of a foreign substance in the acoustic wave receiving layer 403 of the FP type probe cannot be used as data in advance, and the image reconstruction processing is performed. At this time, it is also possible to correct the missing data portion and form an image.

なお、信号処理部510は光音響波502の強度を表す電気信号の時間変化の分布を記憶し、それを演算手段により光学特性値分布のデータに変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。   Note that the signal processing unit 510 stores a temporal change distribution of an electrical signal representing the intensity of the photoacoustic wave 502, and any signal can be used as long as it can be converted into optical characteristic value distribution data by a calculation means. It may be used.

なお、光503として複数の波長の光を用いることもできる。この場合、それぞれの波長に関して生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質に固有の波長依存性とを比較することにより、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。生体組織を構成する物質としては、グルコース、コラーゲン、酸化・脱酸化ヘモグロビンなどがある。   Note that light having a plurality of wavelengths can be used as the light 503. In this case, the optical coefficient in the living body is calculated for each wavelength, and the concentration distribution of the substance that composes the living body is imaged by comparing those values with the wavelength dependence specific to the substance constituting the living tissue. It is also possible to do. Examples of substances constituting a living tissue include glucose, collagen, oxidized / deoxidized hemoglobin, and the like.

また、本発明の実施形態では信号処理により得られた画像情報を表示する画像表示部511を備えることが望ましい。   In the embodiment of the present invention, it is desirable to include an image display unit 511 that displays image information obtained by signal processing.

[実施形態1]
続いて本発明の各種の実施形態について、屈折率変調に関わる事柄を中心に説明する。ここではFPセンサで受信する際に屈折率を変調させながら用いる方法について述べる。
[Embodiment 1]
Next, various embodiments of the present invention will be described focusing on matters relating to refractive index modulation. Here, a method of using the refractive index modulated while receiving by the FP sensor will be described.

図6に本実施形態に用いる素子の作製プロセスの一例を示す。以下の順で成膜を行うことで素子を得ることができる。ここで、透明電極は受信有効エリア全面に成膜したものを用いる。   FIG. 6 shows an example of a manufacturing process of an element used in this embodiment. An element can be obtained by performing film formation in the following order. Here, the transparent electrode is formed over the entire reception effective area.

《素子の作製》
1:ガラス基板(601)上に誘電多層膜ミラー(602)を形成する。
2:誘電多層膜ミラー(602)上に透明電極(603)を形成し、さらにその上に水平配向膜(604)を成膜し、配向処理(605)を行う。
3:水平配向膜(604)上に音響波受信層である側鎖型高分子液晶層(606)を形成する。
4:側鎖型高分子液晶層(606)の上に、光反射機能と電圧印加機能を兼ねた金電極(607)を成膜する。
5:金電極(607)の上に保護膜(608)を成膜する。
6:透明電極(603)と金電極(607)から電極線(図示せず)を取り出し、交流電圧源(図示せず)と接続し、FP素子609を得る。
<Production of element>
1: A dielectric multilayer mirror (602) is formed on a glass substrate (601).
2: A transparent electrode (603) is formed on the dielectric multilayer mirror (602), a horizontal alignment film (604) is further formed thereon, and an alignment treatment (605) is performed.
3: A side chain polymer liquid crystal layer (606) as an acoustic wave receiving layer is formed on the horizontal alignment film (604).
4: A gold electrode (607) having both a light reflection function and a voltage application function is formed on the side chain polymer liquid crystal layer (606).
5: A protective film (608) is formed on the gold electrode (607).
6: An electrode wire (not shown) is taken out from the transparent electrode (603) and the gold electrode (607) and connected to an AC voltage source (not shown) to obtain the FP element 609.

本素子では、電圧の変調により液晶層の光路長を変化させることができるため、この素子を用いて反射特性を測定し、横軸を電圧、縦軸を反射率でプロットすると、図2と同様のプロファイルを得ることができる。これにより、式5におけるn(x,y)が電圧により変調可能となる。 In this device, the optical path length of the liquid crystal layer can be changed by modulating the voltage. Therefore, when the reflection characteristics are measured using this device and the horizontal axis is plotted with the voltage and the vertical axis is plotted with the reflectance, the same as FIG. Can be obtained. Thereby, n c (x, y) in Equation 5 can be modulated by the voltage.

なお、一般的なディスプレイ用途の液晶材料では、nの最小値は液晶分子単軸方向の屈折率nである1.5程度、最大値は液晶分子長軸方向の屈折率nである1.6程度のものが用いられている。また、屈折率異方性Δnの数値としては0.1程度のものが広く用いられる。材料によってはΔnが0.3以上の数値を示すものも開発されている。本発明では適宜、至適の条件となるように層厚を調整すればよいため、いずれの液晶材料を用いても良い。 In the liquid crystal material of a general display applications, the minimum value of n c is about 1.5 the refractive index n of the liquid crystal molecules uniaxial, the maximum value is the refractive index of the liquid crystal molecular long axis direction n About 1.6 is used. A value of about 0.1 is widely used as the numerical value of the refractive index anisotropy Δn. Some materials have been developed in which Δn shows a numerical value of 0.3 or more. In the present invention, any liquid crystal material may be used because the layer thickness may be adjusted appropriately so as to satisfy the optimum conditions.

《補償量の調整》
上記プロセスによって得られたセルであるFP素子(609)については、側鎖型高分子液晶層(606)の膜厚分布によって、光干渉の際の光路長に素子面内で分布を有する。この分布を補償するために液晶に印加する電圧量の調整を行う。
<Adjustment of compensation amount>
The FP element (609), which is a cell obtained by the above-described process, has a distribution in the element plane in the optical path length at the time of optical interference due to the film thickness distribution of the side chain polymer liquid crystal layer (606). In order to compensate for this distribution, the amount of voltage applied to the liquid crystal is adjusted.

また、この素子は液晶の屈折率異方性の影響により測定光の偏光軸によって値が変わる。そのため、予め偏光板を使用することにより測定光の偏光軸方向と、液晶の配向処理方向(異常光屈折率方向)を一致させておく。こうすることで液晶分子長軸方向と偏光軸とを合わせることができるため、液晶層への電圧印加により光路長を変化させることが可能となる。   Further, the value of this element varies depending on the polarization axis of the measurement light due to the influence of the refractive index anisotropy of the liquid crystal. Therefore, by using a polarizing plate in advance, the polarization axis direction of the measurement light and the alignment processing direction (abnormal light refractive index direction) of the liquid crystal are matched. By doing so, the liquid crystal molecule major axis direction and the polarization axis can be matched, so that the optical path length can be changed by applying a voltage to the liquid crystal layer.

分布量はアレイ型光センサ(509)の画素毎に測定することが好ましいが、複数の画素毎に行っても構わない。   The distribution amount is preferably measured for each pixel of the array photosensor (509), but may be measured for each of a plurality of pixels.

所定の波長の測定光をFP型探触子(505)に照射し、その反射光をアレイ型光センサ(509)で測定する。このとき交流印加電圧を変化させながらセンサに入射する光量を測定し、電圧−反射率プロファイルを測定する。これによりφを与える電圧値を求めることができる。 The FP probe (505) is irradiated with measurement light having a predetermined wavelength, and the reflected light is measured by the array type optical sensor (509). At this time, the amount of light incident on the sensor is measured while changing the AC applied voltage, and the voltage-reflectance profile is measured. Thereby, a voltage value giving φ m can be obtained.

これをすべての画素において実施することでルックアップテーブル(LUT)を作成し、記憶媒体に保存する。用いる液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のLUTを作成する。   By performing this for all pixels, a look-up table (LUT) is created and stored in a storage medium. If the characteristics of the liquid crystal to be used are likely to change with temperature, a similar LUT is created by changing the temperature.

《屈折率変調型FP探触子の利用》
上記LUTにおいて、最適電圧値が同一の値となる画素を一つのグループとして、各グループ毎に音響波のデータを取得する。この場合、φを与える電圧と完全に同一の電圧でなくとも音響波の測定は可能である。そのため、装置の要求精度が高くない場合には、電圧−光量曲線の谷の範囲に入るような電圧値を同じグループとみなして測定してもよい。
<< Use of refractive index modulation type FP probe >>
In the LUT, acoustic wave data is acquired for each group, with pixels having the same optimal voltage value as one group. In this case, it is possible to measure an acoustic wave even if the voltage is not exactly the same as the voltage giving φ m . Therefore, when the required accuracy of the apparatus is not high, voltage values that fall within the valley of the voltage-light quantity curve may be regarded as the same group and measured.

つまり、設定する電圧値を細かく制御すれば、概ねφ条件で常に測定可能となり、良好な感度となるが、分割する電圧数が増加するために測定時間がかかる。逆に、電圧値を粗く制御すれば、感度ばらつきは大きくなるが、測定時間は短時間で済む。こうしたトレード・オフ関係に配慮して、デバイスとしての至適条件に設計を行うことが好ましい。 That is, if control over the voltage value to be set, always measurable with phi m condition generally becomes a good sensitivity and measurement time according to the voltage number of division is increased. Conversely, if the voltage value is controlled roughly, the sensitivity variation increases, but the measurement time is short. In consideration of such a trade-off relationship, it is preferable to design the device under optimum conditions.

図7を用いて測定シーケンスを説明する。
図7(a)はFP探触子の上面図である。図中の円形の点線はFP探触子内の光路長に関する等高線である。中央部では光路長が長い、すなわち膜厚が厚く、端部では光路長が短い、すなわち膜厚が薄いという膜厚分布を有している。この等高線に従って、電圧印加グループを設定する。
なお、図7(b)から(e)は図7(a)の断面図である。
A measurement sequence will be described with reference to FIG.
FIG. 7A is a top view of the FP probe. The circular dotted line in the figure is a contour line related to the optical path length in the FP probe. The central portion has a film thickness distribution in which the optical path length is long, that is, the film thickness is large, and the optical path length is short at the end part, that is, the film thickness is thin. A voltage application group is set according to the contour line.
FIGS. 7B to 7E are cross-sectional views of FIG.

第一の光音響信号発生用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第一のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図7(a)および(b)の丸数字1で示した領域の撮像を行う。以降、丸数字1のことは(1)と記載する。丸数字2〜4についても同様に(2)〜(4)と記載する。   The first photoacoustic signal generating laser is irradiated, and the photoacoustic wave obtained there is imaged by pixels corresponding to the first group. That is, the area indicated by the circled number 1 in FIGS. 7A and 7B is imaged. Hereinafter, the circled number 1 is described as (1). Similarly, the numbers 2 to 4 are also described as (2) to (4).

液晶層の配向状態は(1)以外の領域でも(1)と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に(1)に相当する画素の情報のみを使用し、(2)〜(4)の情報を利用しない。   The alignment state of the liquid crystal layer shows the same alignment state as in (1) in the regions other than (1), but it can be ignored because it is not used for image processing. That is, when the light intensity is read from the upper surface of the element by the array type optical sensor and image processing is performed, only the pixel information corresponding to (1) is used, and the information of (2) to (4) is not used.

次いで、第二の光音響信号発生用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第二のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図7(a)および(c)の(2)で示した領域の撮像を行う。液晶層の配向状態は(2)以外の領域でも(2)と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に(2)に相当する画素の情報のみを使用し、(1)、(3)、(4)の情報を利用しない。   Next, the second photoacoustic signal generating laser is irradiated, and the photoacoustic wave obtained there is imaged by pixels corresponding to the second group. That is, the region shown in (2) of FIGS. 7A and 7C is imaged. The alignment state of the liquid crystal layer shows the same alignment state as in (2) in the regions other than (2), but it can be ignored because it is not used for image processing. In other words, only the pixel information corresponding to (2) is used when the light intensity is read from the upper surface of the element by the array type optical sensor and image processing is performed, and the information of (1), (3), and (4) is not used.

同様に(3)と(4)の領域についても撮像を行うことによって、(1)〜(4)それぞれの領域でほぼ最適な光路長に設定し音響波を受信することが可能となる。   Similarly, by imaging in the areas (3) and (4), it is possible to receive an acoustic wave with the optical path length set to be almost optimal in each of the areas (1) to (4).

このようにして、複数の領域ごとの液晶層の配向、言い換えると光路長の補償量に対応する複数回の音響波受信が行われる。これらをデータ解析の際に総合して素子面全体の信号を得る。   In this way, the acoustic wave reception is performed a plurality of times corresponding to the alignment amount of the liquid crystal layer for each of the plurality of regions, in other words, corresponding to the compensation amount of the optical path length. These are combined during data analysis to obtain a signal for the entire element surface.

この例では領域を4分割したが、任意の領域数(N領域)に分割して同様の手法でデータを取得すれば良い。   In this example, the area is divided into four areas. However, it is sufficient to divide the area into an arbitrary number of areas (N areas) and acquire data by the same method.

光音響信号発生用レーザーのパルス繰り返し周波数をf(Hz)、液晶層の応答時間をτ(秒)とすると、τが1/fより小さい場合にはひとつのデータはf/N(Hz)の周波数で取得できる。   If the pulse repetition frequency of the laser for photoacoustic signal generation is f (Hz) and the response time of the liquid crystal layer is τ (seconds), if τ is smaller than 1 / f, one data is f / N (Hz). Can be obtained by frequency.

アレイ型光センサが十分高速に画像取得でき、音波の振動に追随してデータ取得できるのであれば、f/N(Hz)のフレーム周波数で連続的に画像取得できる。   If the array-type optical sensor can acquire images at a sufficiently high speed and can acquire data following the vibration of sound waves, images can be acquired continuously at a frame frequency of f / N (Hz).

一方、アレイ型光センサの画像入力が低速で音波振動に追従しない場合には、測定光をパルス光とし、ストロボ撮影の原理によりデータを取得すれば良い。
図8にストロボ撮影のタイミングチャートを示す。光音響信号発生用レーザーはf(Hz)で照射されている。撮影の間は被検体が動かないものとすると、光音響信号も同じ強度や位相で繰り返し出力される。
On the other hand, when the image input of the array type optical sensor is low speed and does not follow the sound wave vibration, the measurement light may be pulsed light and data may be acquired based on the principle of strobe photography.
FIG. 8 shows a timing chart for flash photography. The photoacoustic signal generating laser is irradiated at f (Hz). Assuming that the subject does not move during imaging, photoacoustic signals are repeatedly output with the same intensity and phase.

そこで光音響信号発生用レーザーの出力をトリガ信号として、測定光用パルスレーザーのFP探触子への照射タイミングを少しずつずらしながら照射しデータ取得することにより、異なるタイミングでの音圧を測定することができる。   Therefore, using the output of the laser for generating a photoacoustic signal as a trigger signal, the sound pressure is measured at different timings by acquiring data by irradiating the FP probe with the measurement light pulse while shifting the irradiation timing little by little. be able to.

図8(a)は光音響発生用レーザーの出力を示している。光音響発生用レーザーを照射された吸収体からは、ある所定の時間だけ遅延して光音響信号が探触子に到達する。図8(b)はこのことを波形で示している。   FIG. 8A shows the output of the photoacoustic generation laser. From the absorber irradiated with the photoacoustic generation laser, the photoacoustic signal reaches the probe with a delay of a predetermined time. FIG. 8B shows this with a waveform.

図8(c)は、測定光用パルスレーザーの波形である。つまりこの瞬間だけ光がFP探触子に照射されることになるため、その反射光がアレイ型光センサに到達することになる。図8(d)はアレイ型光センサに到達する光強度を示したものである。ここでは簡単のため、反射光強度は光音響波信号に比例するものとしている。このように受信した反射光の二次元分布を画像メモリに蓄積する。   FIG. 8C shows the waveform of a pulse laser for measurement light. That is, since the light is irradiated onto the FP probe only at this moment, the reflected light reaches the array type optical sensor. FIG. 8 (d) shows the light intensity reaching the array type photosensor. Here, for simplicity, it is assumed that the reflected light intensity is proportional to the photoacoustic wave signal. The two-dimensional distribution of the reflected light received in this way is stored in the image memory.

次の測定では、測定用パルスレーザーの照射タイミングを、前回の測定と比べてトリガから少し遅らせて、反射光強度の測定を行う。光音響波信号は繰り返し同じ波形が発生しているため、測定光用パルスレーザー照射のタイミングをずらすことによって、異なるタイミングでの反射光の二次元分布を得ることができる。   In the next measurement, the reflected light intensity is measured by delaying the irradiation timing of the measurement pulse laser slightly from the trigger compared to the previous measurement. Since the same waveform is repeatedly generated in the photoacoustic wave signal, the two-dimensional distribution of the reflected light at different timings can be obtained by shifting the timing of the pulse laser irradiation for the measurement light.

このようにタイミングをずらして測定光を照射する過程を繰り返し、それぞれのデータをメモリに蓄積することによって、1周期分の光音響波信号を取得することができる。これを整理すると、各画素におけるFP探触子からの反射光強度の時間変化を得ることができる。光音響信号をストロボによって観察する際の分割数をDとすると、データの取得はf/(N×D)(Hz)で得ることになる。   Thus, by repeating the process of irradiating the measurement light at different timings and accumulating each data in the memory, a photoacoustic wave signal for one period can be acquired. If this is arranged, it is possible to obtain a temporal change in reflected light intensity from the FP probe in each pixel. If the number of divisions when observing a photoacoustic signal with a strobe is D, data acquisition is obtained at f / (N × D) (Hz).

なお、一ヶ所あたり信号をm回平均化する場合には、データの取得はf/(N×D×m)(Hz)となる。このため、高速に繰り返し照射できる光音響信号発生用レーザーを使用することにより、実用的な速度でデータ取得することが可能となる。なお、τが1/fより大きい場合には、データの取得は1/{(D×m)/f+τ×(N−1)}(Hz)となる。   When the signal is averaged m times per location, the data acquisition is f / (N × D × m) (Hz). For this reason, it is possible to acquire data at a practical speed by using a photoacoustic signal generating laser capable of repeatedly irradiating at high speed. When τ is larger than 1 / f, data acquisition is 1 / {(D × m) / f + τ × (N−1)} (Hz).

[実施形態2]
《素子の作製》
本実施形態ではストライプ状にパターニングした電極を用いる以外は上記実施形態1と同一のプロセスで作製する。図6における透明電極(603)は成膜後にパターニングを行う。また、インクジェット方式やマスクデポ方式を採用して、ストライプ電極を形成する。これらストライプ電極を互いに直交させるように形成し、単純マトリクス構成とする。ここでは図9に示すように、基板1の電極をコモン(COM)電極901とし、基板2の電極をセグメント(SEG)電極902とする。
[Embodiment 2]
<Production of element>
In this embodiment, the electrode is manufactured by the same process as that of the first embodiment except that an electrode patterned in a stripe shape is used. The transparent electrode (603) in FIG. 6 is patterned after film formation. In addition, stripe electrodes are formed by employing an ink jet method or a mask deposition method. These stripe electrodes are formed so as to be orthogonal to each other to have a simple matrix configuration. Here, as shown in FIG. 9, the electrode of the substrate 1 is a common (COM) electrode 901, and the electrode of the substrate 2 is a segment (SEG) electrode 902.

本実施形態では一般にスーパーツイステッドネマティック(STN)液晶などで用いられる単純マトリクス液晶用ドライバを用いて駆動を行うことができる。基板1に対してCOMドライバを、基板2にSEGドライバを実装する。   In the present embodiment, driving can be performed using a driver for a simple matrix liquid crystal generally used in a super twisted nematic (STN) liquid crystal or the like. A COM driver is mounted on the substrate 1 and an SEG driver is mounted on the substrate 2.

マトリクス電極が交差する領域を液晶の画素と定義すると、液晶の画素と2D撮像素子の画素とが1対1対応することが好ましい。ただし、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。   When a region where the matrix electrodes intersect is defined as a liquid crystal pixel, it is preferable that the liquid crystal pixel and the pixel of the 2D image sensor have a one-to-one correspondence. However, since the purpose of the liquid crystal layer is to compensate for the film thickness distribution, when the film thickness distribution changes gradually, the liquid crystal layer may be coarser than the pixels of the image sensor.

《屈折率の調整》
実施形態1と同様にして、電圧−反射率プロファイルを測定する。これを用いて、ルックアップテーブル(LUT)を作成し、記憶媒体に保存する。
<Adjusting the refractive index>
The voltage-reflectance profile is measured in the same manner as in the first embodiment. Using this, a lookup table (LUT) is created and stored in a storage medium.

液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のLUTを作成する。   When the characteristics of the liquid crystal are likely to change with temperature, a similar LUT is created by changing the temperature.

またこのときに単純マトリクス駆動を行うための駆動条件を求める。各画素への電圧印加法は、一般的な液晶ディスプレイに用いられている単純マトリクス液晶の駆動方法で良い。この場合、式(7)に従って電圧のオンオフ比が決定されることが知られている。   At this time, a driving condition for performing simple matrix driving is obtained. The voltage application method to each pixel may be a simple matrix liquid crystal driving method used in a general liquid crystal display. In this case, it is known that the voltage on / off ratio is determined according to the equation (7).

Figure 0006012202
Figure 0006012202

このためCOMのライン数が増加するとパリレンの膜厚を補償するための十分なオンオフ比、すなわち光路長差を確保することが出来なくなる。   For this reason, when the number of COM lines increases, it becomes impossible to ensure a sufficient on / off ratio for compensating the parylene film thickness, that is, a difference in optical path length.

そのため素子の作製の際に、COMライン数とパリレン膜厚分布に鑑み、至適な屈折率変調量を確保するために必要な液晶層厚に設定する。つまり、本実施形態の水平配向液晶の場合、光路長の最大値はn(VOFF)・d、最小値はn(VON)・dとなる。このため、補償可能な光路長の範囲は{n(VON)−n(VOFF)}・dとなる。ここでn(VOFF)はマトリクス駆動におけるオフ状態のときの液晶層の平均的な異常光屈折率であり、測定光の偏光方向と配向処理方向とを一致させたときに光路長に寄与する成分である。n(VON)も同様に、オン状態の異常光屈折率を表すものである。このため、dを大きく設定することで補償範囲を確保することができる。 Therefore, when the device is manufactured, in consideration of the number of COM lines and the parylene film thickness distribution, the liquid crystal layer thickness necessary for securing an optimal refractive index modulation amount is set. That is, in the case of horizontal alignment liquid crystal of the present embodiment, the maximum value of the optical path length is n r (V OFF) · d r, the minimum value of n r (V ON) · d r. Therefore, the range of compensation possible optical path length is {n r (V ON) -n r (V OFF)} · d r. Here, n r (V OFF ) is an average extraordinary refractive index of the liquid crystal layer in the OFF state in matrix driving, and contributes to the optical path length when the polarization direction of the measurement light and the alignment processing direction are matched. It is an ingredient to do. Similarly, n r (V ON ) represents the extraordinary refractive index in the on state. For this reason, the compensation range can be secured by setting dr large.

上述のとおり走査線数とオンオフ比とはトレード・オフの関係にある。そのためFP探触子領域全面において十分なオンオフ比が確保できない場合には、実効的なCOMライン数を減らし駆動デューティ比を増加させることが有効である。ひとつは、膜厚がほぼ一定のラインについては同時に駆動する方法がある。つまり事前の測定により膜厚分布が少ない領域については所定のCOMライン群を同時に選択し、同一の電圧で補償しても構わない。これにより駆動の際のデューティ数を減らせるためオンオフ比を高めることが可能となる。   As described above, the number of scanning lines and the on / off ratio are in a trade-off relationship. Therefore, when a sufficient on / off ratio cannot be secured over the entire surface of the FP probe region, it is effective to reduce the effective number of COM lines and increase the drive duty ratio. One is a method of simultaneously driving lines having a substantially constant film thickness. That is, a predetermined COM line group may be simultaneously selected and compensated with the same voltage for an area where the film thickness distribution is small by prior measurement. As a result, the on / off ratio can be increased because the number of duties during driving can be reduced.

または、素子全体をNブロックに分割して、ひとつの画像を形成するためにNフィールドを使うことで全体の画像を形成する方法もある。つまり画像取得の際にCOMラインをNブロックに分割して駆動する。各フィールドではCOMライン全体のN分の1のライン数で駆動される。一つのフィールドごとに画像センサで光量を測定し、これをN回別々の場所で画像を取得することで、補償量を決定する。
さらに、前述の場合と同様にして、測定光の波長数を複数に増やしてもよい。
上記のように駆動方法と補償量を決定して、これをLUTとして記憶媒体に記録する。
Alternatively, there is a method of forming the entire image by dividing the entire element into N blocks and using N fields to form one image. That is, at the time of image acquisition, the COM line is divided into N blocks and driven. Each field is driven with a line number that is 1 / N of the entire COM line. The amount of compensation is determined by measuring the amount of light with an image sensor for each field and acquiring images N times at different locations.
Further, the number of wavelengths of the measurement light may be increased to a plurality in the same manner as described above.
The driving method and the compensation amount are determined as described above, and this is recorded on the storage medium as an LUT.

《屈折率変調型FP探触子の利用》
上記の単純マトリクス駆動方法にて補償層を駆動し、光路長をFP探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。Nブロックに分割した場合には分割エリア毎に単純マトリクス駆動を行い、そのエリアの音響波信号を受信し、メモリに記憶する。これを他のブロックにおいても音響信号の受信を行い、Nフィールド分のデータを用いてひとつの素子全体の画像を形成する。
<< Use of refractive index modulation type FP probe >>
An acoustic wave can be detected while driving the compensation layer by the above simple matrix driving method and keeping the optical path length uniform within the FP probe plane. When divided into N blocks, simple matrix driving is performed for each divided area, and an acoustic wave signal in that area is received and stored in a memory. In other blocks, the acoustic signal is received, and an image of one entire element is formed using data for N fields.

アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態1と同様である。   As in the first embodiment, the image can be observed with a strobe when the image acquisition of the array photosensor is slow.

[実施形態3]
《素子の作製》
本実施形態では、薄膜トランジスタ(TFT)素子が配設された液晶ディスプレイ用アクティブマトリクス基板を用い、対向する金電極を全面に成膜された基板を用いる。それ以外は実施形態1と同一のプロセスでセルを作成する。ここでは行方向にはゲート電極、列方向にはソース電極が形成されている。
[Embodiment 3]
<Production of element>
In this embodiment, an active matrix substrate for a liquid crystal display provided with a thin film transistor (TFT) element is used, and a substrate in which opposing gold electrodes are formed on the entire surface is used. Otherwise, the cell is created by the same process as in the first embodiment. Here, a gate electrode is formed in the row direction, and a source electrode is formed in the column direction.

本実施形態の液晶層の構成は、一般的なアクティブマトリクス駆動液晶素子と同様の素子構成である。TFT素子が配設された基板には、ツイステッドネマティック(TN)液晶を駆動する場合と同様に、電極が配設された2枚の基板間でセル厚方向に電圧を印加するために、基板1の行方向にゲートドライバを、列方向にソースドライバを実装する。基板2はTFT駆動において至適条件となる電位に保たれている。
配向処理方向や用いる液晶材料は前述の実施形態1および実施形態2と同様である。
The configuration of the liquid crystal layer of this embodiment is the same as that of a general active matrix driving liquid crystal device. As in the case of driving a twisted nematic (TN) liquid crystal, a substrate 1 on which a TFT element is disposed is used to apply a voltage in the cell thickness direction between the two substrates on which electrodes are disposed. A gate driver is mounted in the row direction and a source driver is mounted in the column direction. The substrate 2 is maintained at a potential that is an optimum condition for driving the TFT.
The alignment treatment direction and the liquid crystal material used are the same as those in the first and second embodiments.

液晶層の画素とアレイ型光センサの画素とが1対1対応することが好ましいが、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。   It is preferable that the pixels of the liquid crystal layer and the pixels of the array type photosensor have a one-to-one correspondence. However, since the purpose of the liquid crystal layer is to compensate for the film thickness distribution, It may be coarser than the pixels of the image sensor.

《屈折率変調量の調整》
実施形態1と同様にして、最適電圧印加量を求め、各液晶画素毎にLUTとして記憶媒体に記録する。
<Adjusting the refractive index modulation amount>
In the same manner as in the first embodiment, the optimum voltage application amount is obtained and recorded on the storage medium as an LUT for each liquid crystal pixel.

《屈折率変調型FP探触子の利用》
本実施形態に用いたセルを、アクティブマトリクス駆動し、光路長をFP探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態1と同様である。
<< Use of refractive index modulation type FP probe >>
The cell used in the present embodiment can be driven in an active matrix, and an acoustic wave can be detected while keeping the optical path length uniform within the FP probe plane. As in the first embodiment, the image can be observed with a strobe when the image acquisition of the array photosensor is slow.

[実施形態4]
実施形態2や3では、液晶層の画素ひとつにつき1種類の補償電圧が印加される構成を示した。しかし、液晶の画素が大きい、すなわち、パリレンの膜厚分布の変化量に対して画素が粗いために画素内で最適補償量が異なってしまう場合、ひとつの液晶画素の中を複数フィールドに分けてデータを取得しても良い。これは実施形態2や実施形態3のセル構成を用いて素子全体を空間分割し、実施形態1の概念を導入して1つの画素の中を時分割で領域別にデータ取得するものであり、よりきめ細やかな補償を行うことが可能となる。
なお、これにはアレイ型光センサの画素ピッチが液晶画素のものよりも小さいことが必要である。
[Embodiment 4]
In the second and third embodiments, a configuration in which one type of compensation voltage is applied to each pixel of the liquid crystal layer has been described. However, if the liquid crystal pixel is large, that is, the optimal compensation amount varies within the pixel because the pixel is coarse relative to the amount of change in the parylene film thickness distribution, one liquid crystal pixel is divided into multiple fields. Data may be acquired. This is to spatially divide the entire device using the cell configuration of Embodiment 2 or Embodiment 3, introduce the concept of Embodiment 1, and acquire data in each pixel in a time division manner. It becomes possible to perform fine compensation.
This requires that the pixel pitch of the array photosensor is smaller than that of the liquid crystal pixel.

[実施形態5]
これまでの実施形態では一般に用いられている液晶ディスプレイ用のネマティック液晶と同様に、実際に使用する際に側鎖型高分子液晶層に電圧を印加しながら用いていた。本実施形態では作製プロセスにおいて液晶層の条件をつくり込み、その状態を固定して用いる方法について述べる。
[Embodiment 5]
In the embodiments so far, like a nematic liquid crystal for a liquid crystal display that is generally used, it has been used while applying a voltage to the side chain polymer liquid crystal layer in actual use. In the present embodiment, a method of creating a condition of a liquid crystal layer in a manufacturing process and fixing the state will be described.

《素子の作製》
実施形態2または3に記載のマトリクス電極を使用する。用いる液晶材料として、高温側から、等方相−ネマティック相−固体相、という相系列を有する液晶材料を用いる。その際、ネマティック相から固体相へと相転移する際に、結晶化する性質を持つ材料を用いると配向状態が崩れるため、ネマティック相の配向状態がそのまま固定化するようにガラス化相転移によって固体相に相転移する材料を採用することが好ましい。
<Production of element>
The matrix electrode described in Embodiment 2 or 3 is used. As the liquid crystal material to be used, a liquid crystal material having a phase sequence of isotropic phase-nematic phase-solid phase from the high temperature side is used. At that time, when a material having the property of crystallizing is used in the phase transition from the nematic phase to the solid phase, the orientation state collapses. It is preferable to employ a material that undergoes a phase transition to a phase.

素子を作製し、温度を上昇させ液晶をネマティック相とし、屈折率が均一化する至適条件において駆動を行い、駆動電圧を印加しながら固体相へと相転移させる。   The device is manufactured, the temperature is raised, the liquid crystal is made into a nematic phase, driving is performed under the optimum conditions for uniforming the refractive index, and a phase transition is made to a solid phase while applying a driving voltage.

《屈折率変調型FP探触子の利用》
上記によって固体相へと相転移させると、配向が安定化されるので電圧を切ってもその状態が維持される。そのため、屈折率変調のための電圧を印加することなく、FP探触子として使用することができる。
<< Use of refractive index modulation type FP probe >>
When the phase transition to the solid phase is performed as described above, the orientation is stabilized, so that the state is maintained even when the voltage is turned off. Therefore, it can be used as an FP probe without applying a voltage for refractive index modulation.

なお、本実施形態では固体相を用いたが、配向を決定した後にその配向状態が固定されるものであればよく、高次の液晶相を有する液晶材料などを用いても構わない。例えば、スメクティック相、ディスコティック液晶、主鎖型高分子液晶などの液晶材料を用いることができる。   In this embodiment, the solid phase is used. However, any liquid crystal material having a higher-order liquid crystal phase may be used as long as the alignment state is fixed after the alignment is determined. For example, a liquid crystal material such as a smectic phase, a discotic liquid crystal, or a main chain type polymer liquid crystal can be used.

また上で述べたように、液晶性を有さない材料であっても、屈折率分布を付与し補償することが可能である。例えば、音波受信層の膜厚分布に合わせてショ糖などの有機物の濃度勾配を付与したり、濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用い、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与したりすることにより屈折率分布を付与し補償することができる。こうした材料を用いる際には、液体状態であると対流や拡散によって濃度分布が消失するおそれがあるため、所定の間隔で隔壁を設けて拡散しないようにするか、濃度分布を付与したらすぐに寒天などで固めて屈折率分布状態を保存させた上で使用することが好ましい。   As described above, even a material that does not have liquid crystallinity can be provided with a refractive index distribution and compensated. For example, a concentration gradient of an organic substance such as sucrose is given according to the film thickness distribution of the sound wave receiving layer, or a charged substance having a refractive index different depending on the concentration is used, and a concentration gradient is given from the outside using electrophoresis. Thus, a refractive index distribution can be given and compensated. When such materials are used, the concentration distribution may disappear due to convection or diffusion in the liquid state. Therefore, a partition wall should be provided at predetermined intervals to prevent diffusion, or as soon as the concentration distribution is applied, agar It is preferable to use after the refractive index distribution state is preserved by hardening.

以上、5つの実施形態を述べたが、上記実施形態に限らず、これに派生してさまざまな材料を用いることができる。例えば液晶を用いる場合には、本実施形態1〜4では平行配向のECB(Electrically Controlled Birefringence)型液晶を用いることとした。しかし、VA(Vertical Alignment)方式、Bend配向方式、HAN(Hybrid Aligned Nematic)方式など、様々な液晶モードが利用可能である。   As mentioned above, although five embodiment was described, it is not restricted to the said embodiment, It can derive from this and can use various materials. For example, when liquid crystal is used, in Embodiments 1 to 4, parallel alignment ECB (Electrically Controlled Birefringence) type liquid crystal is used. However, various liquid crystal modes such as a VA (Vertical Alignment) method, a Bend alignment method, and a HAN (Hybrid Aligned Nematic) method can be used.

また、上記の補償量の調整に関して、経時変化の影響を受ける場合があると考えられる。そのため、工場出荷時だけでなく使用時にも定期的にLUTを見直すことが好ましい。   In addition, it is considered that the adjustment of the compensation amount may be affected by changes over time. Therefore, it is preferable to periodically review the LUT not only at the time of factory shipment but also at the time of use.

このような構成の生体情報イメージング装置を用いることで、高速に高解像な光音響像を得ることが可能となる。   By using the biological information imaging apparatus having such a configuration, a high-resolution photoacoustic image can be obtained at high speed.

なお、上記実施の形態では金電極を用いたが、電極として透明電極を用い、反射層として誘電多層膜ミラーを用いることによって、FP素子を所望の波長において光透過性を付与することも可能である。   In the above embodiment, the gold electrode is used. However, it is also possible to give the FP element light transmittance at a desired wavelength by using a transparent electrode as the electrode and a dielectric multilayer mirror as the reflective layer. is there.

また医療用途に用いる際は、図5のように水槽は使用せず、被検体つまり患部に音響インピーダンスマッチングジェルを塗り、その上にFP型探触子505を接するように配置してイメージングを行う。この際、マッチングジェルに限らず、患部とFP型探触子505との間に音響マッチングがとれるものであれば用いることが可能である。   Further, when used for medical purposes, the water tank is not used as shown in FIG. 5, and an acoustic impedance matching gel is applied to the subject, that is, the affected area, and the FP probe 505 is placed on the object to perform imaging. . At this time, not only the matching gel but also any one that can achieve acoustic matching between the affected part and the FP probe 505 can be used.

また本実施形態の中では光音響波信号の受信を中心に述べたが、弾性波であれば検知可能である。そのため、医療用超音波エコー用探触子、非破壊検査用超音波探傷子もしくは探触子などにも適用可能である。またこの素子は広帯域であるので、可聴域の音波振動を検知するためのマイクや聴診器などにも適用可能である。   In the present embodiment, the reception of the photoacoustic wave signal has been mainly described, but an elastic wave can be detected. Therefore, the present invention is applicable to a medical ultrasonic echo probe, a nondestructive inspection ultrasonic flaw detector, a probe, or the like. Further, since this element has a wide band, it can be applied to a microphone or a stethoscope for detecting sound wave vibrations in the audible range.

本実施例は、実施形態1に記した構成からなる。
本実施例は、本発明を用いて、被検体としてイントラリピッド1%水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径300μmのゴムワイヤーを配置したサンプルをイメージングするものである。サンプルは水中に配置されている。
This example has the configuration described in the first embodiment.
In this embodiment, the present invention is used to image a sample in which an intralipid 1% aqueous solution is hardened with agar as a subject and a rubber wire having a diameter of 300 μm for absorbing light is placed therein. Samples are placed in water.

FP型探触子の第1のミラーには誘電多層膜を用い、第2のミラーには金を用いる。この誘電多層膜は900−1200nmにおいて反射率が95%以上となるように設計される。また、FP型探触子の基板はBK7を用い、基板の誘電多層膜が成膜されている面と逆側の面には、900−1200nmにおいて反射率が1%以下になるようにARコート処理が施される。ミラー間にある受信膜の材料として図10の分子形状を有する側鎖形高分子液晶を用いる。1001がメソゲン基で、1002が主鎖である。メソゲン基として誘電異方性が正の構造体を用い、水平配向膜を用いる。液晶層の厚さは30μmとなるよう成膜される。さらに、探触子の保護膜としてパリレンCを用いる。   A dielectric multilayer film is used for the first mirror of the FP probe, and gold is used for the second mirror. This dielectric multilayer film is designed to have a reflectance of 95% or more at 900 to 1200 nm. The substrate of the FP type probe is BK7, and the AR coating is applied to the surface opposite to the surface on which the dielectric multilayer film is formed so that the reflectance is 1% or less at 900 to 1200 nm. Processing is performed. A side chain polymer liquid crystal having the molecular shape shown in FIG. 10 is used as a material for the receiving film between the mirrors. 1001 is a mesogenic group and 1002 is a main chain. A structure having a positive dielectric anisotropy is used as a mesogen group, and a horizontal alignment film is used. The liquid crystal layer is formed to have a thickness of 30 μm. Further, Parylene C is used as a protective film for the probe.

FP型探触子の反射光量を測定するための測定光を出射する測定光用光源として、波長915nmにおいて連続発振できるレーザーダイオードを用いる。
アレイ型光センサとして、高速CCDカメラを用いる。この画素数は100×100画素である。
A laser diode capable of continuous oscillation at a wavelength of 915 nm is used as a light source for measurement light that emits measurement light for measuring the amount of reflected light of the FP probe.
A high-speed CCD camera is used as the array type optical sensor. This number of pixels is 100 × 100 pixels.

このとき、測定光を照射し、適宜電圧を変化させながらCCDに検知される光量をモニタする。電圧−反射率特性を記録し、最適状態となる電圧値をもとめ、各CCD画素においてLUTを作成する。   At this time, the measurement light is irradiated and the amount of light detected by the CCD is monitored while appropriately changing the voltage. The voltage-reflectance characteristics are recorded, the voltage value in an optimum state is obtained, and an LUT is created for each CCD pixel.

その後、光を被検体に照射し、光音響波の測定を開始する。被検体に照射する光源はチタンサファイヤーレーザーである。出射するパルス光の繰り返し周波数は10Hz、パルス幅は10nsであり、波長は797nmである。   Thereafter, the subject is irradiated with light, and photoacoustic wave measurement is started. A light source for irradiating the subject is a titanium sapphire laser. The repetition frequency of the emitted pulsed light is 10 Hz, the pulse width is 10 ns, and the wavelength is 797 nm.

本実施例で作製される側鎖型高分子液晶層の層厚には100nm程度の分布が発生する。そのため、素子上で領域を10ブロックに分けてデータを取得する。   A distribution of about 100 nm occurs in the layer thickness of the side chain type polymer liquid crystal layer produced in this example. Therefore, data is acquired by dividing the area into 10 blocks on the element.

測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.5mmとする。これにより、直径2cmの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。   Image reconstruction is performed by the universal back projection algorithm using the distribution of the photoacoustic signal obtained after the measurement. At the time of reconstruction, the voxel pitch is 0.5 mm. Thereby, a rubber wire in Intralipid 1% agar which is a light diffusion medium is imaged in an imaging region having a diameter of 2 cm.

本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。   In this example, since driving can be performed under optimum conditions according to the method described in the above embodiment, it is possible to acquire acoustic signal data with good sensitivity.

また、本実施例の撮像方法は、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速である。   Further, the imaging method of the present embodiment is faster than the conventionally reported raster scan method.

本実施例は、実施形態2に記したFP探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例1に記したものと同じである。液晶層は100×100画素に分割され、単純マトリクス駆動される。
This example has the FP probe configuration described in the second embodiment.
The apparatus configuration and subject used in this example are the same as those described in Example 1. The liquid crystal layer is divided into 100 × 100 pixels and is driven in a simple matrix.

本実施例で作製されるパリレンの膜厚には100nm程度の分布が発生する。そのため、素子上で領域を10ブロックに分けてデータ取りがなされる。   A distribution of about 100 nm occurs in the film thickness of parylene produced in this example. Therefore, the data is taken by dividing the area into 10 blocks on the element.

測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.5mmとする。これにより、直径2cmの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。   Image reconstruction is performed by the universal back projection algorithm using the distribution of the photoacoustic signal obtained after the measurement. At the time of reconstruction, the voxel pitch is 0.5 mm. Thereby, a rubber wire in Intralipid 1% agar which is a light diffusion medium is imaged in an imaging region having a diameter of 2 cm.

本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また、本実施例の撮像方法は、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速である。
In this example, since driving can be performed under optimum conditions according to the method described in the above embodiment, it is possible to acquire acoustic signal data with good sensitivity.
Further, the imaging method of the present embodiment is faster than the conventionally reported raster scan method.

本実施例は、実施形態3に記したFP探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例1に記したものと同じである。液晶層は100×100画素に分割され、アクティブマトリクス駆動される。
This example has the FP probe configuration described in the third embodiment.
The apparatus configuration and subject used in this example are the same as those described in Example 1. The liquid crystal layer is divided into 100 × 100 pixels and driven in an active matrix.

本実施例で作製されるパリレンの膜厚には100nm程度の分布が発生する。そのため、素子上で領域を10ブロックに分けてデータを取得する。   A distribution of about 100 nm occurs in the film thickness of parylene produced in this example. Therefore, data is acquired by dividing the area into 10 blocks on the element.

測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは0.5mmとする。これにより、直径2cmの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド1%寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。   Image reconstruction is performed by the universal back projection algorithm using the distribution of the photoacoustic signal obtained after the measurement. At the time of reconstruction, the voxel pitch is 0.5 mm. Thereby, a rubber wire in Intralipid 1% agar which is a light diffusion medium is imaged in an imaging region having a diameter of 2 cm.

本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また、本実施例の撮像方法は、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速である。
In this example, since driving can be performed under optimum conditions according to the method described in the above embodiment, it is possible to acquire acoustic signal data with good sensitivity.
Further, the imaging method of the present embodiment is faster than the conventionally reported raster scan method.

以上の各実施例で説明したように、本発明の構成によれば、受信膜の成膜プロセスのばらつき等によって膜厚分布が存在している場合でも、共振に必要な光学長を二次元面内で略一定に保つことができる。そのため、反射率の傾きが急峻な条件で測定することができるため、高感度特性を実現することが可能となる。   As described in each of the above embodiments, according to the configuration of the present invention, the optical length necessary for resonance can be obtained on a two-dimensional surface even when a film thickness distribution exists due to variations in the film forming process of the receiving film. Can be kept substantially constant. Therefore, since it is possible to measure under a condition where the slope of the reflectance is steep, high sensitivity characteristics can be realized.

また、光路長が均一であれば測定光に用いる波長が単一で済ませることが可能となる。あるいは、補正量が不十分で測定波長を複数用いる場合であったとしても、補償層を用いない場合と比較すれば波長数を大幅に減少させることができる。これにより、装置の低コスト化に寄与する。あるいは同じ価格であれば高い出力の光源を採用できるため、高感度化に寄与する。   In addition, if the optical path length is uniform, a single wavelength can be used for the measurement light. Alternatively, even if the correction amount is insufficient and a plurality of measurement wavelengths are used, the number of wavelengths can be significantly reduced as compared with the case where no compensation layer is used. This contributes to cost reduction of the device. Alternatively, if the price is the same, a high output light source can be used, which contributes to higher sensitivity.

また、本発明は成膜ばらつきの補償だけでなく、環境温度が変化したときの特性ばらつき、素子の経時変化による特性変化、本素子を装置として作り込む際の組み付け誤差などの様々な変動要因を吸収することができるため、安定な装置を提供することが可能となる。   In addition, the present invention not only compensates for film formation variations, but also causes various fluctuation factors such as characteristic variations when the environmental temperature changes, characteristic changes due to aging of the elements, and assembly errors when the element is built as a device. Since it can absorb, a stable apparatus can be provided.

401 ミラー
402 ミラー
403 音響波受信層
401 mirror 402 mirror 403 acoustic wave receiving layer

Claims (5)

音響信号受信装置であって
測定光が入射される第1のミラーと、
前記第1のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第2のミラーと、
前記第1のミラーと第2のミラーとに挟まれて設けられ、屈折率を変調可能である音響波受信層と、
音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第1のミラーと前記第2のミラーとの間の光路長の変化を検出する検出器とを有し、
前記音響波受信層の屈折率分布により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償されるように構成されており、
さらに前記音響波受信層を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記音響波受信層の屈折率分布を制御するものであり、前記制御部は、膜厚分布の等高線に応じて分割された複数の領域ごとに、前記音響波受信層の屈折率を制御するものであることを特徴とする音響信号受信装置。
An acoustic signal receiving device, a first mirror on which measurement light is incident;
A second mirror disposed opposite to the first mirror and receiving an acoustic wave from the subject;
An acoustic wave receiving layer provided between the first mirror and the second mirror and capable of modulating a refractive index;
A detector for detecting a change in optical path length between the first mirror and the second mirror according to deformation of the acoustic wave receiving layer due to the incidence of acoustic waves;
The refractive index distribution of the acoustic wave receiving layer is configured to compensate for variations in the optical path length due to the film thickness distribution of the acoustic wave receiving layer ,
Furthermore, it has a control part which controls the said acoustic wave receiving layer, The said control part controls the refractive index distribution of the said acoustic wave receiving layer, The said control part divides | segments according to the contour line of film thickness distribution An acoustic signal receiving apparatus for controlling a refractive index of the acoustic wave receiving layer for each of the plurality of regions .
前記検出器により検出された光路長の変化に基づいて前記被検体からの音響波の強度を求める信号処理部をさらに有することを特徴とする請求項に記載の音響信号受信装置。 The acoustic signal receiving apparatus according to claim 1 , further comprising a signal processing unit that obtains an intensity of an acoustic wave from the subject based on a change in an optical path length detected by the detector. 前記音響波受信層は、単純マトリクス駆動またはアクティブマトリクス駆動される液晶材料を有することを特徴とする請求項1または2に記載の音響信号受信装置。 It said acoustic wave receiving layer, the acoustic signal receiving apparatus according to claim 1 or 2 characterized by having a simple matrix driving or active matrix driven liquid crystal materials. 前記音響波受信層において、前記液晶材料が2つの電極間に配置されていることを特徴とする請求項に記載の音響信号受信装置。 The acoustic signal receiving device according to claim 3 , wherein the liquid crystal material is disposed between two electrodes in the acoustic wave receiving layer. 前記音響波受信層は、濃度勾配に応じて屈折率が異なる有機物または荷電物質を有することを特徴とする請求項1または2に記載の音響信号受信装置。 It said acoustic wave receiving layer, the acoustic signal receiving apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it has an organic matter or charged material refractive index varies depending on the concentration gradient.
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