JP7291959B2 - 光学装置及び光音響顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、光学装置及び光音響顕微鏡に関する。

光を物体に照射することにより生じる物体の応答に基づいて画像化する技術が知られている。例えば、物体に光を照射し、照射した光によって生じた音響波を検出して画像化する光音響顕微鏡が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１ Muhammad Rameez Chatni et al., 「Functional photoacoustic microscopy of pH」, Journal of Biomedical Optics, 2011年10月, Vol. 16(10), pp.100503-1－100503-3

解決しようとする課題

光音響顕微鏡等のように集光した光を利用する装置においては、光の波長によって集光位置が異ならないことが望ましい場合がある。また、集光度が高いことが望ましい場合がある。

一般的開示

本発明の第１の態様においては、光学装置が提供される。光学装置は、コリメートされた光が入射し、発散するリング状の光を形成する第１のアキシコンレンズを備えてよい。光学装置は、第１のアキシコンレンズにより形成されたリング状の光が入射し、リング状のコリメート光を形成するレンズを備えてよい。光学装置は、レンズにより形成されたリング状のコリメート光を集光する集光鏡を備えてよい。

光学装置は、入射される発散光を反射することによりコリメートする反射型コリメータを備えてよい。第１のアキシコンレンズには、反射型コリメータによりコリメートされた光が入射してよい。

第１のアキシコンレンズ及びレンズは、光学的対称性を有してよい。

レンズは、第１のアキシコンレンズの頂角と実質的に同一の頂角を有する第２のアキシコンレンズであってよい。

レンズは、レンズの円錐面が第１のアキシコンレンズの円錐面に対向するように設けられてよい。

レンズは、少なくともリング状の光が入射する面が第１のアキシコンレンズの円錐面に近似する凸曲面を有する凸状レンズであってよい。

レンズは、凸曲面を有する面が第１のアキシコンレンズの円錐面に対向するように設けられてよい。

集光鏡はレンズと一体に設けられてよい。

光学装置は、多波長光源を備えてよい。多波長光源が発した光は、コリメートされて第１のアキシコンレンズに入射されてよい。

第２の態様においては、光音響顕微鏡が提供される。光音響顕微鏡は、上記の光学装置を備えてよい。光音響顕微鏡は、集光鏡により集光された光によって生じた音響波を検出する検出器を備えてよい。

検出器は、空中を伝搬した音響波を検出してよい。

光音響顕微鏡は、集光鏡により集光された第１の波長の光によって生じた音響波と、集光鏡により集光された第１の波長の光とは異なる第２の波長の光によって生じた音響波とに基づいて、集光鏡により集光された第１の波長の光及び第２の波長の光が照射された物体の画像を生成する処理装置を備えてよい。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。

一実施形態に係る光音響顕微鏡１０の構成を概略的に示す。 一実施例としての光学装置２００が備える光要素の配置を対象物１９０とともに概略的に示す斜視図である。 光学装置２００における光線図を概略的に示す。 光学装置２００により形成される波長５００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。 光学装置２００により形成される波長７５０ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。 光学装置２００により形成された波長１０００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。 アキシコンレンズ１３０及び集光鏡１４０の変形例としての光素子５００の断面図である。 アキシコンレンズの他の配置例の一実施例の断面図である。 他の実施形態に係る光音響顕微鏡２０の構成を概略的に示す。 光学装置１００の出射光のビーム径を測定するための実験系を概略的に示す。 波長４０５ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を示す。 波長８０８ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を示す。 波長４０５ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像の二値化画像を示す。 波長８０８ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像の二値化画像を示す。 光学装置１００の出射光のビームプロファイルを示す。 光音響顕微鏡１０による光音響測定の検証結果を示すグラフである。 光音響顕微鏡１０により得られる金属メッシュの光音響画像を表す。 対象物１９０とした金属メッシュの可視光画像を示す。 光音響顕微鏡７００の基本構成を示す概念図である。 図１９に関連する光学装置８００の一実施例の光線図を概略的に示す。 光学装置８００により形成される波長５００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。 光学装置８００により形成される波長７５０ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。 光学装置８００により形成される波長１０００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

最初に、光音響顕微鏡用の光学装置の基本構成を説明する。図１９は、光音響顕微鏡７００の基本構成を示す概念図である。光音響顕微鏡７００は、レーザ７１２と、光ファイバ７１４と、レンズ７２０と、円錐台プリズム７４０と、音響波センサ７６０と、アンプ７６２とを備える。レンズ７２０及び円錐台プリズム７４０は、対象物７９０への照射光を形成するための光学装置を構成する。

レーザ７１２は、対象物７９０に照射される光を発する。レーザ７１２が発した光は、光ファイバ７１４の一方の端部に入射し、光ファイバ７１４の他方の端部から発散光として出射する。レンズ７２０には、光ファイバ７１４から出射した発散光が入射する。レンズ７２０によって、発散するリング状の光が形成される。レンズ７２０により形成されたリング状の光は円錐台プリズム７４０に入射する。

円錐台プリズム７４０は、円錐台の形状を有する。円錐台プリズム７４０に入射したリング状の光は円錐台プリズム７４０の内側面で全反射する。円錐台プリズム７４０により、対象物７９０への照射光が形成される。

対象物７９０において、円錐台プリズム７４０からの照射光が対象物７９０に入射することによって、対象物７９０において照射光が通過する領域において、光吸収による音響波が発生する。発生した音響波は、水槽７９２中の水を伝搬して音響波センサ７６０に到達する。音響波センサ７６０は、音響レンズを有し、音響レンズの焦点位置で発生した音響波から音響波信号を生成する。音響波信号は、電気信号としてアンプ７６２に供給されて増幅される。アンプ７６２により増幅された電気信号から光音響波の強度が算出され画像化される。

光音響顕微鏡７００において、異なる波長の光を用いて対象物７９０への照射光を形成すると、レンズ７２０の焦点が波長によって異なるため、対象物７９０への照射光の集光位置は波長によって異なってしまう。

また、図１９に示す直線７４１及び直線７４２は、円錐台プリズム７４０が入射光を反射する内側面を表す。直線７４１で表される部分で全反射した光は実質的に集光しない。同様に、直線７４２で表される部分で全反射した光も実質的に集光しない。したがって、円錐台プリズム７４０によれば、対象物７９０への照射光の集光度を十分に高めることができないため、音響波センサ７６０の焦点位置以外の範囲に広く照射光が分散する。そのため、レーザ７１２が生成する光エネルギーの利用効率が低くなる。

図２０は、図１９に関連する光学装置８００の一実施例の光線図を概略的に示す。光学装置８００は、透過型コリメータ８１０と、アキシコンレンズ８２０と、円錐台プリズム８４０とを有する。光学装置８００において、透過型コリメータ８１０及びアキシコンレンズ８２０の組み合わせは、図１９のレンズ７２０に対応する光要素である。円錐台プリズム８４０、対象物８９０、及び水槽８９２は、それぞれ円錐台プリズム７４０、対象物７９０、及び水槽７９２に対応する。

図２１は、光学装置８００により形成される波長５００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。図２２は、光学装置８００により形成される波長７５０ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。図２３は、光学装置８００により形成される波長１０００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。

図２１から図２３は、対象物により収集される光束量の分布図である。図２１から図２３に示す分布図の縦軸は光軸方向を示し、横軸は光軸に直交する方向を示す。図２１から図２３に示されるように、波長によって光軸方向の集光位置が実質的に異なるため、光軸方向において吸収光束量が最大となる位置が波長によって異なることが分かる。

一般に、光学材料の屈折率は波長によって異なるため、透過型の光要素の焦点は、波長によって異なる。そのため、光学装置８００において波長が異なる光を用いると、透過型コリメータ８１０を光が通過することで、波長によって光軸方向の集光位置にずれが生じる。

また、透過型コリメータ８１０が特定波長の光を実質的にコリメートできる場合でも、他の波長の光を同程度にコリメートできない場合がある。そのため、光学装置８００から出射される光の集光度が波長によって異なり得る。

また、光学装置８００において、円錐台プリズム８４０に入射するリング状の光の幅が大きくなると、対象物への照射光の集光度が低くなるため、光軸方向の分解能が低下する。照射光の集光度を高めるためには、円錐台プリズム８４０に入射するリング状の光の幅を小さくする必要があるが、そのためには、アキシコンレンズ８２０への入射光の径を小さくする必要がある。しかし、一般に、アキシコンレンズ８２０の円錐面８２２の頂部８２５の加工精度は他の部分より低いので、頂部８２５を通過する光は散乱され易い。アキシコンレンズ８２０への入射光の径を小さくすると、入射光の中心部の光束密度が高まるので、アキシコンレンズ８２０の頂部８２５で散乱される光束の量が多くなる。そのため、照射光の集光度を高めるためにアキシコンレンズ８２０への入射光の径を小さくすると、照射光のエネルギーロスが大きくなる。

図１９から図２３に関連して説明したように、光音響顕微鏡における光学装置の基本構成において、波長によって集光位置が異なるため、集光位置の調整が必要となり、多波長で対象物を高速に画像化することができないという課題があった。また、照射光の集光度を十分に高めることが容易でないという課題があった。

図１は、一実施形態に係る光音響顕微鏡１０の構成を概略的に示す。光音響顕微鏡１０は、いわゆるＡＲ－ＰＡＭ（音響分解能光音響顕微鏡）である。光音響顕微鏡１０は、光学装置１００と、音響波センサ１６０と、透明板１７０と、アンプ１６２と、処理装置１８０とを備える。光学装置１００は、レーザ１２と、光ファイバ１４と、反射型コリメータ１１０と、アキシコンレンズ１２０と、アキシコンレンズ１３０と、集光鏡１４０とを備える。

レーザ１２は、異なる波長のレーザ光を発生することができる。レーザ１２は、多波長光源の一例である。レーザ１２が発した光は、コリメートされてアキシコンレンズ１２０に入射される。

具体的には、レーザ１２が発生した光は、光ファイバ１４の一方の端部に入射し、光ファイバ１４の他方の端部から発散光として出射する。反射型コリメータ１１０は、入射される発散光を反射することによって、コリメートする。具体的には、反射型コリメータ１１０は、発散光をコリメートする曲面形状の反射面を有する。反射型コリメータ１１０は、反射によって入射光をコリメートするので、波長による光軸ＡＸ方向の焦点ずれは実質的に生じない。

アキシコンレンズ１２０には、反射型コリメータ１１０によってコリメートされた光が入射する。アキシコンレンズ１２０は、入射した光から、発散するリング状の光を形成する。

アキシコンレンズ１３０は、アキシコンレンズ１２０により形成されたリング状の光が入射し、リング状のコリメート光を形成する。ここで、アキシコンレンズ１３０が形成するコリメート光とは、実質的にコリメートされた光を意味してよい。アキシコンレンズ１３０が形成するコリメート光とは、アキシコンレンズ１３０に入射するリング状の光より平行度が高い光を意味してよい。

一例として、アキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ１３０は、実質的に光学的対称性を有する。具体的には、アキシコンレンズ１３０は、アキシコンレンズ１２０の頂角と実質的に同一の頂角を有する。なお、アキシコンレンズ１３０の屈折率がアキシコンレンズ１２０の屈折率と同一である場合、アキシコンレンズ１３０の頂角はアキシコンレンズ１２０の頂角と実質的に同一であることが望ましい。しかし、アキシコンレンズ１３０がアキシコンレンズ１２０の材料とは異なる材料で形成されている場合のように、アキシコンレンズ１３０の屈折率がアキシコンレンズ１２０の屈折率とは異なる場合には、アキシコンレンズ１３０がコリメート光を形成することができるように、アキシコンレンズ１３０の頂角をアキシコンレンズ１２０の頂角と異ならせてよい。アキシコンレンズ１３０は、アキシコンレンズ１３０の円錐面１３２がアキシコンレンズ１２０の円錐面１２２に対向するように設けられる。

このように、反射型コリメータ１１０によってコリメートした光を、光学的対称性を有するアキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ１３０に入射して、コリメートされたリング状の光を得る。これにより、異なる波長を用いた場合でも、アキシコンレンズ１３０から出射する光をコリメートすることができる。アキシコンレンズ１３０から出射するリング状のコリメート光の内径や外径は波長によって異なり得るが、波長による平行度の違いは小さい。

集光鏡１４０は、アキシコンレンズ１３０により形成されたリング状のコリメート光を集光する。集光鏡１４０は、例えば放物面鏡である。集光鏡１４０は、入射した平行光を一点に集光するように、放物線の回転体で表される反射面１４２を持つ。これにより、集光鏡１４０は、アキシコンレンズ１３０により形成されたリング状のコリメート光を、反射によって対象物の特定位置に集光させることができる。集光鏡１４０は、入射光を反射することにより集光するので、集光位置や集光度の波長依存性を実質的に有しない。

例えば、上述したようにアキシコンレンズ１３０から出射するリング状のコリメート光の内径や外径は波長によって異なり得るが、波長による平行度の違いは小さい。集光鏡１４０は、反射面上のどの位置にコリメート光が入射しても特定の一点に収束するように設計されているので、入射するコリメート光の内径や外径が波長によって異なっても、特定の一点に集光することができる。

また、集光鏡１４０を用いることで、入射するリング状のコリメート光のリング幅を大きくしても集光度が実質的に低下しないので、アキシコンレンズ１２０に入射するコリメート光の径を大きくすることができる。アキシコンレンズ１２０に入射するコリメート光の径を大きくすることで、アキシコンレンズ１２０の頂部１２５で散乱される光束の量を低減することができる。そのため、照射光のエネルギーロスを低減することができる。これにより、レーザ１２が生成する光エネルギーの利用効率を高めることができる。

音響波センサ１６０は、透明板１７０に固定される。透明板１７０は、集光鏡１４０と、対象物１９０との間に設けられる。音響波センサ１６０は、対象物１９０に音響的に結合するように設けられる。例えば、音響波センサ１６０は、音響整合材としての水１９４に接触するように設けられる。透明板１７０は、水１９４と接触するように設けられてよい。透明板１７０は、レーザ１２が発する光を透過する材料で形成される。集光鏡１４０からの光は、音響波センサ１６０の周囲を通って対象物１９０に入射する。

音響波センサ１６０と光学装置１００とは、集光鏡１４０から対象物１９０への光の集光位置と、音響波センサ１６０が有する音響レンズの焦点位置とが一致するように、位置合わせされる。例えば、光軸ＡＸ方向及び光軸ＡＸに垂直方向における透明板１７０の位置を調整することにより、音響波センサ１６０と光学装置１００とを位置合わせする。光学装置１００によれば、光学装置１００及び音響波センサ１６０の位置を独立して調整することができるので、光学装置１００の焦点と音響波センサ１６０の焦点との位置合わせが容易となる。

集光鏡１４０からの光が対象物１９０に入射すると、対象物１９０内の集光位置に対応する特定位置から、音響波が発生する。発生した音響波は、水１９４を通じて音響波センサ１６０に到達する。音響波センサ１６０は、音響レンズの焦点位置で発生した音響波を検出して音響波信号を生成する。音響波信号は、電気信号としてアンプ１６２に供給されて増幅され、処理装置１８０に供給される。

処理装置１８０は、アンプ１６２により増幅された電気信号から、対象物１９０の光音響波の強度を算出する。処理装置１８０は、対象物１９０と光学装置１００とを、光軸ＡＸに直交する面内で相対的に移動させながら光音響波を測定することで、対象物１９０の画像を取得する。例えば、処理装置１８０は、集光鏡１４０により集光された第１の波長の光によって生じた音響波と、集光鏡１４０により集光された第１の波長の光とは異なる第２の波長の光によって生じた音響波とに基づいて、集光鏡１４０により集光された第１の波長の光及び第２の波長の光が照射された対象物１９０の画像を生成する。

対象物１９０の一例としての血管の画像を取得する場合、処理装置１８０は、動脈及び静脈により吸収される第１の波長の光と、動脈の吸収係数と静脈の吸光係数との比が第１の波長の光とは異なる第２の波長の光とを切り換えてレーザ１２から発生させる。処理装置１８０は、音響波センサ１６０により検出された光音響波の大きさに基づいて、生体の各位置における静脈及び動脈を検出することにより、動脈及び静脈を区別した血管画像を生成する。光学装置１００によれば、波長による光軸ＡＸ方向の集光位置のずれが小さいので、波長毎に集光位置を調整する必要がない。そのため、対象物１９０に照射する光の波長を高速に切り換えて音響波を検出することができる。したがって、多波長の光による対象物１９０の画像を高速に取得することができる。

図２は、一実施例としての光学装置２００が備える光要素の配置を対象物１９０とともに概略的に示す斜視図である。図３は、光学装置２００における光線図を概略的に示す。光学装置２００は、光学装置１００におけるアキシコンレンズ１３０に代えて凸状レンズ２３０を備える点で、光学装置１００と異なる。

凸状レンズ２３０は、凸曲面２３３を有する面２３２を備える。凸状レンズ２３０は、面２３２がアキシコンレンズ１２０の円錐面１２２に対向するように設けられる。

アキシコンレンズ１２０により形成された光は、凸曲面２３３に入射し、凸曲面２３３よりＡＸ側には入射しない。凸曲面２３３は、アキシコンレンズ１２０の円錐面１２２に近似する形状を有する。ここで、「近似する」とは、例えば、凸曲面２３３のうちアキシコンレンズ１２０からの光が入射する領域において、凸曲面２３３に接し、かつ、光軸と特定の角度で交差する接線で形成される円錐面の頂角と、アキシコンレンズ１２０の円錐面１２２の頂角との差が予め定められた範囲内であることを意味してよい。「予め定められた範囲」は、凸状レンズ２３０に要求されるコリメート度の許容誤差から定められてよい。アキシコンレンズ１３０に代えて凸状レンズ２３０を用いることで、光学装置２００の製造コストを低減することができる。

図４は、光学装置２００により形成される波長５００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。図５は、光学装置２００により形成される波長７５０ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。図６は、光学装置２００により形成された波長１０００ｎｍの光の単位体積あたりの吸収光束量を示す。図４から図６に示す吸収光束量の分布図において、図２１から図２３に示す吸収光束量の分布図と同様に、縦軸は光軸ＡＸ方向を示し、横軸は光軸ＡＸに直交する方向を示す。

図２１から図２３に示す吸収光束量と図４から図６に示される吸収光束量とを比較すると、光学装置２００によれば、光学装置８００に比べて、吸収光束量が最大となる位置が波長によって大きくずれていないことが分かる。すなわち、光学装置２００によれば、光学装置８００に比べて、波長による光軸方向の集光位置がずれないことが分かる。また、光学装置１００によれば、光学装置８００に比べて、単位体積あたりの吸収光束量が大きいことが分かる。

以上に説明したように、アキシコンレンズと、アキシコンレンズと実質的又は近似的に光学的対称性を持つレンズと、集光鏡とを備えることで、波長による光軸方向の集光位置のずれが小さい光学装置を提供することができる。また、集光度が高い光学装置を提供することができる。

なお、図２及び図３に示す凸状レンズ２３０は、アキシコンレンズ１２０の円錐面１２２に対向する面の全体において凸形状を有してもよい。凸状レンズ２３０は、アキシコンレンズ１２０からの光が入射する領域において少なくとも凸曲面２３３を有すればよく、他の領域は任意の形状を有してよい。

また、図１に示すアキシコンレンズ１３０に代えて、少なくともアキシコンレンズ１２０からの光が入射する領域において、アキシコンレンズ１２０の円錐面に光学的に対称な面を有するレンズを適用してよい。例えば、アキシコンレンズ１３０の周部にのみ円錐面を有するようなレンズを適用してよい。アキシコンレンズ１３０においても、アキシコンレンズ１２０からの光が入射する領域において少なくともアキシコンレンズ１２０と光学的に対称な面を有すればよく、他の領域は任意の形状を有してよい。

図７は、アキシコンレンズ１３０及び集光鏡１４０の変形例としての光素子５００の断面図である。光素子５００は、アキシコンレンズ１３０と集光鏡１４０とを一体に設けた単一の光素子である。光素子５００は、アキシコンレンズ１３０及び集光鏡１４０の作用を有する。

光素子５００は、アキシコンレンズ部５３０と、集光鏡部５４０とを有する。アキシコンレンズ部５３０は、周部に円錐面５３２を有する。集光鏡部５４０は放物面状の反射面である放物面５４２を有する。光素子５００は、円錐面５３２がアキシコンレンズ１２０の円錐面１２２に対向するように設けられる。

アキシコンレンズ部５３０の円錐面５３２は、アキシコンレンズ１３０の円錐面１３２の作用を有する。集光鏡部５４０の放物面５４２は、集光鏡１４０の反射面１４２の作用を有する。アキシコンレンズ１２０により形成されたリング状の光が円錐面５３２に入射すると、円錐面５３２によってリング状のコリメート光が形成されて光素子５００の内部を進み、放物面５４２において内部全反射を受けて、光素子５００から出射する。光素子５００は円錐面５３２及び放物面５４２を有するので、円錐台プリズム７４０を用いる場合に比べて集光度を高めることができる。

なお、光学装置１００において、アキシコンレンズ１３０は、アキシコンレンズ１３０の円錐面がアキシコンレンズ１２０の円錐面に対向するように配置される。他の配置例として、円錐面１２２が反射型コリメータ１１０に対向するようにアキシコンレンズ１２０を配置し、アキシコンレンズ１３０の底面がアキシコンレンズ１２０の底面に対向するようにアキシコンレンズ１３０を配置してもよい。この配置例の一実施例として、アキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ６３０の断面図を図８に示す。アキシコンレンズ６３０は、アキシコンレンズ１３０の円錐面１３２に対応する円錐面６３２を周部に有し、アキシコンレンズ１３０と同じ作用を持つ。アキシコンレンズ１２０は、円錐面１２２が反射型コリメータ１１０に対向するように配置され、アキシコンレンズ６３０は、底面６３３がアキシコンレンズ１２０の底面１２３に対向するように配置される。同様に、光学装置２００において、円錐面１２２が反射型コリメータ１１０に対向するようにアキシコンレンズ１２０を配置し、凸状レンズ２３０の底面がアキシコンレンズ１２０の底面に対向するように凸状レンズ２３０を配置してもよい。

なお、上記において、対象物１９０の一例としての血管の画像を取得する場合を例示したが、対象物１９０は血管や血液成分に限られない。対象物１９０として、生体内の様々な吸光物質を適用できる。また、生体に限らず、光を吸収する様々な物体を対象物１９０として適用できる。例えば、異種材料の接合部を持つ工業製品を対象物１９０として適用し、異種材料の接合部の層間剥離の検査装置として光音響顕微鏡１０を適用してよい。

図９は、他の実施形態に係る光音響顕微鏡２０の構成を概略的に示す。光音響顕微鏡２０は、光音響顕微鏡１０と同様に、ＡＲ－ＰＡＭである。光音響顕微鏡２０は、光学装置１００と、音響波センサ１６０と、アンプ１６２と、処理装置１８０とを備える。なお、光音響顕微鏡２０が備える構成要素のうち、光音響顕微鏡１０が備える構成要素と同じ構成要素には同じ符号が付されている。

光音響顕微鏡２０は、音響波センサ１６０と対象物１９０とが音響結合媒体としての水を介さずに音響的に結合する点を除いて、光音響顕微鏡１０と異なる。光音響顕微鏡２０において、音響波センサ１６０は、例えば空中の気体を介して対象物１９０と音響的に結合する。したがって、音響波センサ１６０は、集光鏡１４０により集光された光によって生じ、空中を伝搬した音響波を検出する。なお、音響結合媒体として、水以外の液体や空気以外の任意の気体を適用してよい。また、音響結合媒体として、レーザ１２が発する光を透過する固体を適用してよい。音響結合媒体は生体であってもよい。

光音響顕微鏡２０は、光音響顕微鏡１０とは異なり、音響波センサ１６０の保持手段としての透明板１７０を備えなくてよい。音響波センサ１６０の保持手段としては、集光鏡１４０から対象物１９０に向かう光を阻害しないように音響波センサ１６０を保持することができれば、透明板１７０以外の手段を、音響波センサ１６０の保持手段として用いることができる。

図１０は、光学装置１００の出射光のビーム径を測定するための実験系を概略的に示す。本実験系は、光学装置１００の出射光が入射するスリガラス３１０と、スリガラス３１０を撮像する撮像装置３２０を備える。

スリガラス３１０は、集光鏡１４０と撮像装置３２０との間に設けられる。スリガラス３１０は、集光鏡１４０からの光軸ＡＸ方向の位置を調整可能に設けられる。撮像装置３２０は、ＣＭＯＳイメージセンサを備えるカメラである。撮像装置３２０は、撮像光軸が光軸ＡＸに一致するように設けられる。撮像装置３２０は、スリガラス３１０に合焦した状態で撮像する。レーザ１２から特定波長のレーザ光を発生させた状態でスリガラス３１０の画像を撮像装置３２０で撮像し、得られた画像の輝部の径を光学装置１００の出射光のビーム径として測定する。輝部の径は、撮像装置３２０により得られた画像を構成するピクセルを単位として表すものとする。

図１１は、波長４０５ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を示す。各画像の近傍に示す数値は、光軸ＡＸ方向の位置を示す。図１２は、波長８０８ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を示す。各画像の近傍に示す数値は、光軸ＡＸ方向の位置を示す。

図１１及び図１２から、波長４０５ｎｍ及び波長８０８ｎｍのいずれの光も、光軸ＡＸ方向に９．５ｍｍの位置の近傍に集光していることが分かる。すなわち、光学装置１００によれば、波長による光軸ＡＸ方向の集光位置のずれが非常に小さいことが分かる。

なお、光学装置１００の光学系が理想的であると仮定すると、光学装置１００からの出射光は完全なリング状になるため、画像の輝部もリング状となる。しかし、実際には、例えば図１１及び図１２における１１．５ｍｍの位置の画像に示されるように、リング状の輝部の中央部にも輝部が生じる場合がある。このリング状の輝部の内側の輝部は、アキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ１３０の頂部の加工精度の影響により生じたと考えられる。例えば、アキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ１３０の頂部は完全な点ではなく、微細に見ると丸みを持つため、アキシコンレンズ１２０及びアキシコンレンズ１３０の頂部で散乱された光によって、リング状の輝部の内側の輝部が生じたと考えられる。したがって、輝部からビーム径を算出する場合に、リング状の輝部の内側の輝部は考慮しないこととする。

図１３は、波長４０５ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を二値化することにより得られた二値化画像を示す。各二値化画像の近傍の数値は、光軸ＡＸ方向の位置を示す。

図１４は、波長８０８ｎｍのレーザ光を発生させた状態で撮像された画像を二値化することにより得られた二値化画像を示す。各二値化画像の近接の数値は、光軸ＡＸ方向の位置を示す。

図１５は、光学装置１００の出射光のビームプロファイルを示す。図１５の横軸はビーム径を表し、縦軸は光軸ＡＸ方向の位置を表す。ビーム径は、二値化画像における輝部の外径から算出される。上述したように、ビーム径の大きさはピクセルを単位として表される。

図１５から、光学装置１００から出射される波長４０５ｎｍ及び波長８０８ｎｍの光は、ほぼ一致したプロファイルを持つことが分かる。したがって、光学装置１００によれば、波長４０５ｎｍの光と波長８０８ｎｍの光とで、光軸方向の集光位置のずれが非常に小さく、かつ、集光度の違いも非常に小さいことが分かる。

図１６は、光音響顕微鏡１０による光音響測定の検証実験の結果を示すグラフである。検証実験は、図１に示す光音響顕微鏡１０において、黒アルマイト処理を施した表面を持つ金属部材を対象物１９０として用い、光学装置１００からの光を金属部材の表面に照射したときに音響波センサ１６０で検出される超音波信号の測定結果と、音響波センサ１６０から超音波を発生させたときに音響波センサ１６０で検出される超音波信号の測定結果を比較することにより行った。

図１６のグラフの縦軸は、音響波センサ１６０で検出された超音波の信号強度を示す。図１６のグラフの横軸は、超音波の発生源の位置を示す。図１６のＰＡのグラフは、金属部材に光を照射したときに得られる超音波信号の位置依存性を示す。図１６のＵＳのグラフは、音響波センサ１６０から超音波信号を発生させたときに得られる超音波信号の位置依存性を示す。なお、ＵＳのグラフの横軸は、水中における超音波の伝搬速度を用いて、超音波の伝播時間を光軸ＡＸ方向の位置に換算した値を示す。

図１６のグラフにおいて、金属部材に光を照射したときに得られる超音波信号のピーク位置は、音響波センサ１６０から超音波を発生させたときに得られる超音波信号のピーク位置とほぼ一致する。したがって、金属部材に光を照射したときに計測される超音波信号が金属部材で発生した光音響波であることを検証することができた。

図１７は、光音響顕微鏡１０により得られる金属メッシュの光音響画像を表す。図１７は、ＳＵＳ３０４製の金属メッシュ（線径０．１８ｍｍ、メッシュ間隔０．５１ｍｍ）を対象物１９０とした場合の光音響画像である。光音響画像を取得するために用いたレーザ１２の波長は１０６４ｎｍであり、音響波センサ１６０の中心周波数は１５ＭＨｚである。図１８は、対象物１９０とした金属メッシュの可視光画像を示す。

図１７の濃度の高い部分は、金属メッシュが存在する部分を表す。光軸ＡＸに直交するＸＹ方向の画像化は、光学装置１００の光学系及び音響波センサ１６０をＸＹ方向にスキャンさせることによって、ＸＹ面内の複数の点で金属メッシュの光音響信号を検出することによって行った。図１７に示されるように、約０．５ｍｍ間隔のメッシュを視認できるように画像化することが可能であることを検証することができた。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０、２０ 光音響顕微鏡
１２ レーザ
１４ 光ファイバ
１００ 光学装置
１１０ 反射型コリメータ
１２０ アキシコンレンズ
１２２ 円錐面
１２３ 底面
１２５ 頂部
１３０ アキシコンレンズ
１３２ 円錐面
１４０ 集光鏡
１４２ 反射面
１６０ 音響波センサ
１６２ アンプ
１７０ 透明板
１８０ 処理装置
１９０ 対象物
１９４ 水
２００ 光学装置
２３０ 凸状レンズ
２３２ 面
２３３ 凸曲面
３１０ スリガラス
３２０ 撮像装置
５００ 光素子
５３０ アキシコンレンズ部
５３２ 円錐面
５４０ 集光鏡部
５４２ 放物面
６３０ アキシコンレンズ
６３２ 円錐面
６３３ 底面
７００ 光音響顕微鏡
７１２ レーザ
７１４ 光ファイバ
７２０ レンズ
７４０ 円錐台プリズム
７４１ 直線
７４２ 直線
７６０ 音響波センサ
７６２ アンプ
７９０ 対象物
７９２ 水槽
８００ 光学装置
８１０ 透過型コリメータ
８２０ アキシコンレンズ
８４０ 円錐台プリズム
８９０ 対象物
８９２ 水槽
８２２ 円錐面
８２５ 頂部

Claims (11)

1. コリメートされた光が入射し、発散するリング状の光を形成する第１のアキシコンレンズと、
   前記第１のアキシコンレンズにより形成された前記リング状の光が入射し、リング状のコリメート光を形成するレンズと、
   前記レンズにより形成された前記リング状のコリメート光を集光する集光鏡と、
   前記集光鏡により集光された光によって生じた音響波を検出する検出器と
   を備える光音響顕微鏡。
2. 入射される発散光を反射することによりコリメートする反射型コリメータ
   をさらに備え、
   前記第１のアキシコンレンズには、前記反射型コリメータによりコリメートされた光が入射する
   請求項１に記載の光音響顕微鏡。
3. 前記第１のアキシコンレンズ及び前記レンズは、光学的対称性を有する
   請求項１又は２に記載の光音響顕微鏡。
4. 前記レンズは、前記第１のアキシコンレンズの頂角と実質的に同一の頂角を有する第２のアキシコンレンズである
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
5. 前記レンズは、前記レンズの円錐面が前記第１のアキシコンレンズの円錐面に対向するように設けられる
   請求項４に記載の光音響顕微鏡。
6. 前記レンズは、少なくとも前記リング状の光が入射する面が前記第１のアキシコンレンズの円錐面に近似する凸曲面を有する凸状レンズである
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
7. 前記レンズは、前記凸曲面を有する面が前記第１のアキシコンレンズの円錐面に対向するように設けられる
   請求項６に記載の光音響顕微鏡。
8. 前記集光鏡は前記レンズと一体に設けられる
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
9. 多波長光源
   をさらに備え、
   前記多波長光源が発した光は、コリメートされて前記第１のアキシコンレンズに入射される
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
10. 前記検出器は、空中を伝搬した前記音響波を検出する
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。
11. 前記集光鏡により集光された第１の波長の光によって生じた前記音響波と、前記集光鏡により集光された前記第１の波長の光とは異なる第２の波長の光によって生じた前記音響波とに基づいて、前記集光鏡により集光された前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光が照射された物体の画像を生成する処理装置
    をさらに備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の光音響顕微鏡。

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