JP7843526B2 - 透明超音波プローブモジュールおよびこれを備える光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、透明超音波プローブモジュールおよびこれを備える光学装置に関する。

超音波センサ（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ＳｅｎｓｏｒまたはＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、圧電物質の特徴を用いて電気エネルギーを音響エネルギーに変換した後、このエネルギーを対象物である物体に伝達し、反射された音響エネルギーを再び電気信号に変換する原理で物体との物理的距離測定および物体の映像獲得を可能にするセンサである。

光学および超音波に基づいた映像撮影技法は、ＭＲＩやＸ－ｒａｙ、ＣＴに比べて安全で接近が容易であり、リアルタイムで映像を確認できるという長所によって医療診断で着実に使用されている。

そこで、従来は超音波映像システムと光学映像システムとを結合したり、超音波映像システムと光干渉断層撮影映像システムとを結合したり、超音波映像システムと蛍光イメージングシステムとを結合したりするなどの研究が進められた。

図１は、従来の不透明超音波センサと光学機器を通じて対象をスキャンする状態を示す図である。従来の超音波センサ２０は、不透明な状態で使用されたが、これにより、超音波センサ２０と光学機器３０とが併用される場合、図１に示すように、光学装置３０が不透明な超音波センサ２０を透過できないので、超音波センサの軸外に配置（ｕｎ－ａｘｉｓ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ）される。

このような軸外配置は、様々な理由で映像を撮影するにあたって不利な点がある。例えば、システムの整列が不良になったり、複雑度が増加したり、システムのサイズが大きくなったり、信号対雑音比ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が低くなったり、視野角が制限されたりするなどの問題があった。

また、光スキャンデータと超音波スキャンデータとが一致せず、正確な診断にも困難があった。

例えば、図１を参照すると、検体５００の内部に存在する第１物質５０１、第２物質５０２、第３物質５０３、第４物質５０４のうち超音波ビーム２１によって第１物質５０１と第４の物質５０４の一部が検出される。しかし、光学ビーム３１によっては、超音波センサ２０の鉛直下方に位置する第１物質５０１が検出されないという問題がある。

従来の不透明超音波センサと光学機器を用いて対象をスキャンする光学装置の場合、超音波センサを光源が透過できない。したがって、光路と超音波信号経路とを分離するために、プリズム、シリコンオイルなどの付随的な要素を不可避に配置しなければならなかった。これにより、システムのサイズが非常に大きくなるという問題も発生した。

一方、不透明超音波センサの問題を解決するために特許文献１では不透明超音波センサの断面の一部を穿孔して光路を形成することによって、光路と超音波経路とが同じ軸に位置するようにもした。しかし、この場合でも、超音波センサの断面の一部のみで光が透過できるため、超音波センサの光不透過性による問題点を十分に解決することはできなかった。

一方、不透明な超音波センサによる映像撮影上の問題を解決するための透明超音波センサの開発が近年数年間進められている。しかし、いくつかの透明超音波センサの場合、低い透明度、低い感度、あるいは広い集束によって依然として高いＳＮＲおよび高解像度の光音響映像を得るのに限界があった。

本発明者は、特許文献２（「透明超音波センサおよびその製造方法」）などで、ニオブ酸リチウムＬＮＯ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ）基盤の単結晶透明超音波センサ構造およびその製造方法を提示したことがあり、これを踏まえ、特許文献３（「透明超音波センサ基盤の超音波光学複合イメージングシステム」）などで単一素子形態の透明超音波センサに関する光学複合イメージングシステムを提示したことがある。

ところが、前記超音波センサ構造は、単一素子で構成されているので、素子一つで時間当たり処理できるデータ量に限界があった。これにより、多重素子構造の透明超音波センサを採用して、リアルタイムで処理できる透明超音波センサの長所をそのまま維持しながらもデータ量を高めて画質を向上させ、より広い視野角を提供できる光学装置の必要性が増大している。

米国特許第８７８４３２１号明細書 韓国公開特許第１０－２０２１－００３４４６６号公報 韓国公開特許第１０－２０２２－００２９００３号公報

本発明は、超音波経路と光経路との同軸化を可能にする透明超音波センサを用いてＳＮＲを改善し、機器を小型化できる光学装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、高い透明度と感度を有する超音波センサを備える光学装置を提供することである。

本発明のまた他の目的は、多重圧電素子を採用して画質を向上させ、広い視野角を提供できる光学装置を提供することである。

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及していないまた他の課題は、以下の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるであろう。

本発明の一態様によれば、光学装置のハウジングの内部に備えられる透明超音波プローブモジュールであって、前記ハウジングの内部の一側に備えられ、透明な素材で形成され、一面がハウジングの外部に露出されるように配置されるレンズと、前記レンズの他面上に備えられ、透明な素材で形成される第１整合層と、前記第１整合層上に備えられ、電気信号と機械信号とを相互変換することができる複数の透明な圧電素子を含む圧電素子層と、透明な素材で形成され、それぞれ前記圧電素子層の一面と他面上に備えられ、電気信号を伝達する第１電極層および第２電極層と、前記第１電極層および第２電極層に連結され曲げられる素材で形成され、前記圧電素子と電気信号を送受信することができる回路基板と、前記第二電極層上に備えられ、透明な素材で形成され、超音波ノイズを除去するためのブロック層と、を含む透明超音波プローブモジュールが提供される。

このとき、前記第１整合層と前記レンズとの間に透明な素材で形成された第２整合層がさらに備えられ得る。

このとき、前記回路基板は、透明な素材で形成され得る。

このとき、前記回路基板は、接地基板（ｇｒｏｕｎｄ ｆｐｃｂ）と信号基板（ｓｉｇｎａｌ ｆｐｃｂ）で構成され得る。

このとき、前記接地基板は、前記第１電極層と前記第１整合層との間で前記第１電極層と連結され、前記信号基板は、前記第２電極層と前記ブロック層との間で前記第２電極層と連結され得る。

このとき、前記回路基板は、接地機能を担う金箔板と信号基板（ｓｉｇｎａｌ ｆｐｃｂ）で構成され得る。

このとき、前記金箔板は、前記第１電極層と前記第１整合との間で前記第１電極層と連結され、前記信号基板は、前記第２電極層と前記ブロック層との間で前記第２電極層と連結され得る。

このとき、前記ブロック層は、前記圧電素子層および前記第２電極層よりも広い表面を有するように形成され、前記信号基板は、前記ブロック層の上面のうち前記圧電素子層および前記第２電極層から突出している一部の上に配置されて、前記第２電極層と導電性物質を介して連結され得る。

このとき、前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、一列に配置され得る。

このとき、前記複数の圧電素子は、一列に配置されるが、上に向かって凸状にそびえるアーチ形状に配列され得る。

このとき、前記複数の圧電素子は、一列に配置されるが、上に向かって凹状に凹んだＵ字型状に配列され得る。

このとき、前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、横と縦の格子形状に配置され得る。

このとき、前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、円形状に配置され得る。

このとき、前記複数の圧電素子は、それぞれ直径の異なるリング形状に形成されて、同心円形状を描いて配置され得る。

このとき、前記複数の圧電素子は、一定の曲率を有する半球形状に配置され得る。

このとき、前記整合層および前記ブロック層は、プラスチック、シリコン、ガラス、エポキシのうち一つ以上の素材で形成されるか、前記素材に数ナノメートルないし数百マイクロメートルの直径を有する粉末を混ぜた複合体で形成され得る。

このとき、前記レンズは、凹レンズ、凸レンズ、平面レンズのうちいずれか一つの形状を有することができる。

本発明の他の態様によれば、ハウジングと、前記ハウジングの内部の一側に備えられる前述の透明超音波プローブモジュールと、前記ハウジングの内部の他側に備えられ、前記透明超音波プローブモジュールの他端に配置され、前記ハウジングの長手方向に沿って前記透明超音波プローブモジュールと同軸に配置される光学機器と、を含む、光超音波光学装置が提供される。

このとき、前記光超音波光学装置は、前記ハウジングの内部に備えられ、前記光学機器と前記透明超音波プローブモジュールとの間に配置される光学レンズをさらに含むことができる。

このとき、前記光学機器は、カメラであり得る。

このとき、前記光学機器は、光源であり得る。

上記の構成により、本発明の一態様に係る光学装置は、透明超音波プローブモジュールを光学機器と同軸に配置する構成を採用することにより、信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善し、機器を小型化することができる。

また、本発明の他の態様に係る光学装置は、ニオブ酸リチウムなどの透明な素材を使用して、高い透明度を有する超音波プローブモジュールを提供することができる。

また、本発明のまた他の態様に係る光学装置は、多重圧電素子を適用することにより、画質を向上させ、広い視野角を提供することができる。

また、本発明のさらに他の態様による光学装置は、多重圧電素子の配列を多様化することにより、目的に応じた光学装置を提供することができる。

本発明の効果は、上述の効果に限定されるものではなく、本発明の詳細な説明または特許請求の範囲に記載された発明の構成から推論可能な全ての効果を含むと理解されるべきである。

従来の不透明な超音波プローブと光学機器を用いて検体をスキャンする状態を模式化した図である。 超音波プローブと光学機器を同軸に配置した場合と非同軸に配置した場合に獲得できる光音響断層映像および超音波断層映像を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置の断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光学装置が対象をスキャンする状態を模式化した図である。 本発明の第１実施形態に係る光学装置に備えられる超音波プローブモジュールを示す図である。 図６に示す超音波プローブモジュールをＩ－Ｉ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。 図６に示す超音波プローブモジュールをＩＩ－ＩＩ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。 図９に示す超音波プローブモジュールの第２実施形態をＩＩＩ－ＩＩＩ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。 図９に示す超音波プローブモジュールの第２実施形態をＩＶ－ＩＶ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光学装置の超音波プローブモジュールを図１０と同じ方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。 本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第１変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。 本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第２変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。 本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第３変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。 本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第４変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。 本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第５変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例について、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されない。図面において本発明を明確に説明するために、説明に関係のない部分は省略し、明細書全体を通して同一または同様の構成要素については同じ参照符号を付した。

本明細書および特許請求の範囲で使用される単語および用語は、通常的または辞書的な意味に限定されず、自分の発明を最良の方法で説明するために発明者が用語および概念を定義できる原則に従って本発明の技術的思想に合致する意味と概念として解釈されなければならない。

本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらの組み合わせたものが存在することを説明しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないものとして理解されなければならない。

ある構成要素が他の構成要素の「前方」、「後方」、「上部」または「下部」にあることは、特別な事情がない限り、他の構成要素と直接接して「前方」、「後方」、「上部」または「下部」に配置されるだけでなく、その中間にまた他の構成要素が配置される場合も含む。また、ある構成要素が他の構成要素と「連結」されていることは、特別な事情がない限り、互いに直接連結されるだけでなく、間接的に互いに連結される場合も含む。

本発明の一実施形態に係る光学装置は、透明に形成される超音波プローブモジュールと光学機器とが同軸に配置された状態で診断対象をスキャンするための光学装置である。

図１は、従来の不透明な超音波プローブと光学機器を用いて検体をスキャンする状態を模式化した図である。図２は、超音波プローブと光学機器を同軸に配置した場合と非同軸に配置した場合に獲得できる光音響スキャンデータおよび超音波スキャンデータを示す図である。図３は、本発明の一実施形態に係る光学装置を示す斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係る光学装置の断面を示す断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る光学装置が検体をスキャンする状態を模式化した図である。ここでの検体５００は、光超音波プローブで検査できる対象であればいずれでもよい。例えば、検体５００は、人間の身体組織であり得、他の生命体の生体組織であり得る。

以下、本発明の一実施形態に係る光学装置１００について先に説明した後、光学装置１００を構成する超音波プローブモジュール２００および光学機器３００の構造について説明する。

図５には、本発明の一実施形態に係る透明超音波プローブモジュールと光学機器および検体５００が示されている。図５に示す検体５００は、検体５００の深部が図５から見たときｚ軸の負方向に、検体の外面が図５から見たときｚ軸の正方向に向かうように示された。

図３～図５を参照すると、本発明の一実施形態に係る光学装置１００は、ハウジング４００の内部に超音波プローブモジュール２００と光学装置３００とが同軸に結合され得る。

ハウジング４００は、使用時にユーザが容易に把持できるように高さ方向に沿って側面に屈曲がある曲面の形状に形成され得る。

また、内部に配置される超音波プローブモジュール２００と光学装置３００から放出されるビームが外部に抜け出すために、ハウジング４００の一側には、開口部が形成され得る。

本発明の一実施形態に係る光学装置１００は、図３に示すように無線装置として提供されることもできるが、これに限定されず、有線装置として提供されることもできる。

光学装置１００が無線装置として提供される場合、ハウジング４００の他側は、密閉されるように形成され得、これとは異なり、光学装置１００が有線装置として提供される場合、ケーブルを連結するための開口部およびケーブルを安定して支持できるように別の支持部が形成され得る。

また、図４を参照すると、ハウジング４００の内部には、光学機器３００が超音波プロフモジュール２００と結合された状態で、ハウジングの内部で安定して固定できるようにする結合ホルダ４２０が備えられ得る。

結合ホルダ４２０は、ハウジング本体４１０の一部として構成されて、光学装置３００を包むように形成され得、一側に光学機器３００よりも突出して超音波プローブモジュール２００の他側を支持することができる。

超音波プローブモジュール２００は、ハウジング４００の内部の一側に位置され、超音波プローブモジュール２００の一側がハウジング４００の一側に備えられる開口部を通じて外部に露出され得る。

外部に露出できる超音波プローブモジュール２００の一側部には、レンズ２１０が位置され得る。

図３に示すように、超音波プローブモジュール２００のレンズ２１０の一面がハウジング４００の開口部を通って外部に露出され、レンズ２１０と超音波プローブモジュール２００の残りの部分は、ハウジング４００の内部に位置されるように形成され得る。

図４を参照すると、超音波プローブモジュール２００の他側には、光学機器３００が配置され得る。このとき、超音波プローブモジュール２００と光学機器３００とを同軸に結合するために、超音波プローブモジュール２００は、光路を妨げない透明な材質で形成され得る。

このとき、光学機器３００は、外部からハウジング４００の内部に入る光を撮影するためのカメラとして提供されるか、ハウジング４００の内部から外部に光を放出するための光源として提供され得る。

ただし、光学機器３００は、これに限定されず、カメラ機能と光源機能の両方を備えた機器として備えられてもよく、複数の機器が結合された形態で形成され得る。

また、図には示さなかったが、超音波プローブモジュール２００と光学機器３００との間には、光路を目的に合うように設定するための光学系が配置されることも可能である。

このとき、光学系は、光の進行経路を変化させることができる凸レンズ、凹レンズだけでなく円筒形レンズ、ボール型レンズ、ビームシェーパー、ビームディフューザなどを含むことができる。

上記のような構成により、本発明の一実施形態によれば、ハウジング４００内に超音波プローブモジュール２００および光学機器３００が同軸に配置されることにより、超音波プローブモジュール２００でスキャンのために検体５００に照射される超音波ビーム２０１と光学装置３００でスキャンのために検体５００に照射される光学ビーム３０１とが、図１とは異なり、並んだ方向に直進するようになる。

これにより、図１で従来の超音波センサ２０と光学機器３０から照射された超音波ビーム２１と光学ビーム３１で形成された像が、それぞれ検体５００の外面の異なる位置に到達したのとは異なり、本発明の一実施形態に係る光学装置１００を使用する場合、検体５００の外面には、同じ位置に超音波ビーム２０１で形成された像と光学ビーム３０１で形成された像が到達することができる。

これにより、従来の光学装置１００を使用する場合、検体５００の外面から一定の深さＬ１以内には、超音波ビーム２１が到達する領域に光学ビーム３１が到達できなかったのとは異なり、図５に示すように、本発明の一実施形態に係る光学装置を使用する場合、検体５００の深さ方向の全領域Ｌ３に沿って超音波映像情報と光学映像情報の両方を得ることができる。

また、従来機器において、超音波ビーム２１と光学ビーム３１の経路が異なって進むにつれて発生した低い信号対雑音比を有するという問題も解決できる。

このような効果は、本発明の一実施形態に係る光学装置のように、同軸に超音波プローブと光学機器とを配置する場合に得られた光音響スキャンデータ（図２の（ａ））と超音波スキャンデータ（図２の（ｂ））でも確認することができる。

図２の（ａ）は、超音波プローブと光学機器とが同軸に配置された状態で獲得された光音響スキャンデータであり、図２の（ｂ）は、超音波プローブと光学機器とが同軸に配置された状態で獲得された超音波スキャンデータである。図２の（ｃ）は、超音波プローブと光学機器とが非同軸に配置された状態で獲得された光音響スキャンデータであり、図２の（ｄ）は、超音波プローブと光学機器とが非同軸に配置された状態で獲得された超音波スキャンデータである。

図２の（ａ）と（ｃ）とを比較すると、超音波プローブと光学機器とが非同軸に配置された状態で獲得されたスキャンデータである図２の（ｃ）では、深さが浅い部分のデータが欠落していることを確認することができる。

また、図２の（ｃ）に示すスキャンデータでは、深さが深い部分で多くのノイズが発生したことを確認することができる。

上記のように、超音波プローブと光学機器とが同軸に結合される場合、光音響スキャンデータ（図２の（ａ））と超音波スキャンデータ（図２の（ｂ））とが一致するのに対し、超音波プローブと光学機器とが非同軸に結合される場合、光音響スキャンデータ（図２の（ｃ））と超音波スキャンデータ（図２の（ｄ））とが一致しないという問題が発生する。

以下、図面を異にして、本発明に係る光学装置１００に備えられる超音波プローブモジュール２００の構造について説明する。

図６は、本発明の第１実施形態に係る光学装置に備えられる超音波プローブモジュールを示す図である。図７は、図６に示す超音波プローブモジュールをＩ－Ｉ'方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。図８は、図６に示す超音波プローブモジュールをＩＩ－ＩＩ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。

図３および図６を参照すると、本発明の一実施形態に係る光学装置に設置できる超音波プローブモジュール２００は、ハウジング４００の開口部が形成された一側部に位置し、超音波プローブモジュール２００の一側にレンズ２１０が備えられて、レンズ２１０の一面がハウジング４００の開口部を通じて外部に露出される。

このとき、レンズ２１０は、目的に応じて凹レンズ、凸レンズ、平面レンズのうちいずれか一つの形状を有するように形成され得る。

本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００のレンズ２１０は、シリコン素材で形成され得、水を主成分とするジェルやプラスチック、エポキシ樹脂で形成されることも可能である。

本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００のレンズの他面上には、整合層２２０が配置されることができ、整合層２２０の他面上には、一つ以上の圧電素子で形成された圧電素子層２３０が配置され得る。

整合層２２０は、圧電素子層２３０を構成する圧電素子から発生する超音波信号を照射しようとする媒質、すなわち検体５００との音響インピーダンス（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）の差を減らすためのものである。

すなわち、圧電素子の動作のために超音波信号が生成されるとき、空気ではない水、生体組織または他の媒体内で効率的な超音波信号を伝達するためには、当該媒体の音響インピーダンスを最大限に調整してこそ、超音波エネルギーの損失を最小限に抑えることができる。

本例の整合層２２０は、光と超音波信号の焦点調節が可能な音響レンズを備えるフォーカシングタイプ（ｆｏｃｕｓｅｄ ｔｙｐｅ）であり得る。

このような場合、整合層２２０の焦点調節機能により、検体５００に反射されて透明超音波プローブモジュール２００に入射する超音波信号は、圧電素子の所望の位置に正確に結ばれ得る。

したがって、このような整合層２２０の焦点調節機能により、圧電素子層２３０から出力される超音波信号によって獲得される超音波映像の焦点調節が行われ、鮮明な超音波映像が獲得され得る。

これにより、透明超音波プローブモジュール２００の動作により獲得される映像の鮮明度が向上されて、超音波信号が照射された検体５００の所望の部位に対する鮮明な映像が獲得され得る。

また、整合層２２０が音響レンズを用いる場合、表面の屈曲が一定で表面の透明度が向上されて、検体５００に照射されるか、検体５００から反射される超音波信号の送受信時の超音波信号の損失量を減少させることができる。

また、必要に応じて、整合層２２０に追加の透過膜や遮断膜を形成して、所望の波長帯の信号のみを透過または遮断することができる。

本発明の一実施形態に係る整合層２２０の場合、上記のような目的を達成するために、第１整合層２２２および第２整合層２２４の２つの層で形成され得る。

整合層２２０に備えられた音響レンズは、超音波が高効率で伝達されるように、すなわち、層間に反射が起こらないように音響インピーダンスを考慮した素材で形成され得る。

例えば、整合層２２０は、透明なプラスチック、シリコン、ガラス、エポキシ樹脂で形成され得、前記素材に数ナノメートルないし数百マイクロメートルの直径を有する粉末を一部混ぜた複合体で形成されることも可能である。

整合層２２０の他側に備えられる圧電素子層２３０は、一つ以上の圧電素子で形成され得る。

圧電素子は、機械的な力が素子に加えられる場合、分極を起こして電気を発生させる圧電効果（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）と、電圧が素子に加えられる場合、収縮および弛緩の機械的な動きを起こす逆圧電効果を起こすことがある。

本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００は、圧電効果と逆圧電効果を用いて、超音波を検体５００側に送信し、検体５００から反射される超音波を受信して当該電気信号を生成することができる。

圧電素子層２３０を構成する圧電素子の個数は、超音波プローブモジュール２００のサイズに応じて変わり得る。例えば、圧電素子層２３０は、６４個の圧電素子で構成されるか、または１０２４個の圧電素子で構成されることもある。

このとき、複数の圧電素子は、比較的大きいサイズの圧電素子をダイシングソーやレーザー切断などの機械的に切断する工程を経て製作されたものであり得る。

このとき、圧電素子は、ニオブ酸リチウムＬＮＯ（Ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ）で形成され得、ＬＮＯだけでなく、ＰＭＮ－ＰＴ、ＰＶＤＦ、およびＰＶＤＦ－ＴｒＦＥなどの圧電特性を現す透明な圧電材料を含有することができる。

図７および図８を参照すると、圧電素子層２３０の一面と他面上には、電気信号を伝達するための電極層２６０が形成され得る。

電極層２６０は、圧電素子層２３０の一面と第１整合層２２２の他面との間に配置される第１電極層２６１および圧電素子層２３０の他面とブロック層２４０との間に配置される第２電極層２６２で構成され得る。

第１電極層２６１および第２電極層２６２は、圧電素子層２３０を構成するそれぞれの圧電素子の上面と下面に蒸着して形成され得る。また、第１電極層２６１および第２電極層２６２は、相互間の電気的ショートを防止するために絶縁され得る。

第１電極層２６１および第２電極層２６２は、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の他の構成要素と同様に透明な材料で形成され得る。

より具体的には、第１電極層２６１および第２電極層２６２は、銀ナノワイヤーＡｇＮＷ（Ｓｉｌｖｅｒ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、銅ナノワイヤーＣｕＮＷ（Ｃｏｐｐｅｒ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、金ナノワイヤーＡｕＮＷ（Ｇｏｌｄ ｎａｎｏｗｉｒｅ）、Ｉｎｄｉｕｍ－ｔｉｎ－ｏｘｉｄｅ（ＩＴＯ）、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの透明で導電性のある素材で形成され得る。

また、第１電極層２６１および第２電極層２６２は、例えば、１００ｎｍ未満の厚さに形成され得る。

一方、図６～図８を参照すると、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の第２電極層２６２の他面上には、ブロック層２４０が配置され得る。

ブロック層２４０は、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００で発生する超音波ノイズを除去するためのダンピングの役割を果たすことができる。

圧電素子層２３０で生成された超音波ビーム２０１は、検体５００が位置する光学装置１００の前方にも進むが、それとは反対方向の後方にも進む。

このとき、前方に進む超音波ビーム２０１とは異なり、後方に進む超音波ビームは、超音波プローブモジュール２００が検体５００をスキャンするのにノイズとして作用することがある。

また、光学装置１００の前方に進んだ超音波ビーム２０１が検体５００によって反射されて再び超音波プローブモジュール２００に戻る場合、整合層２２０および圧電素子層２３０を通過して再反射され得る。これにより、不要な信号干渉が発生することがある。

ブロック層２４０は、このような不要な信号干渉を防止し、圧電素子層２３０の他側、つまり光学装置１００の後方に向かう超音波信号を減衰する役割を果たすことができる。

このとき、ブロック層２４０の他側に光学ビームが通過できなければならないので、ブロック層２４０も透明な素材で形成され得る。

より具体的には、ブロック層２４０は、プラスチック、シリコン、ガラス、エポキシ樹脂で形成され得、減衰性能を高めるために、前記素材に数ナノメートルないし数百マイクロメートルの直径を有する粉末を一部混ぜた複合体で形成されることも可能である。

図６～図８を参照すると、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の第１電極層２６１と第２電極層２６２には、それぞれ回路基板２５１、２５２が連結され得る。

回路基板は、光学装置１００のハウジング４００内の狭い空間に入らなければならないので、概して薄くて柔軟性のある軟性回路基板（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏｏｒｄ）で形成され得る。

本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の場合、回路基板は、接地を担う接地基板（Ｇｒｏｕｎｄ ｆｐｃｂ）２５１と信号伝達の役割を担う信号基板（ｓｉｇｎａｌ ｆｐｃｂ）２５２で構成され得る。

信号基板２５２は、それぞれの圧電素子との信号交換のために、各圧電素子に対応するラインとパッドを備えることができ、それぞれのラインとパッドは、各圧電素子と一対一で対応するように構成され得る。

このとき、接地基板２５１は、第１電極層２６１の一側に連結されて、連結部が第１電極層２６１と第１整合層２２２との間に位置することができ、信号基板２５２は、第２電極層２６２の他側に連結されて、連結部が第２電極層２６２とブロック層２４０との間に位置することができる。

接地基板２５１および信号基板２５２は、不透明な素材で形成されることも可能である。

接地基板２５１および信号基板２５２が不透明な素材で構成される場合、超音波ビーム２０１または光学ビーム３０１が通る圧電素子層２３０の中央部に対応する部分は、接地基板２５１および信号基板２５２が開けられたまま形成され、圧電素子層２３０の端部に接地基板２５１および信号基板２５２が付着されるように形成され得る。

接地基板２５１および信号基板２５２が透明な素材で構成される場合には、圧電素子層２３０の中心部に対応する部分を開けないまま形成され得る。

このとき、図７および図８を参照すると、接地基板２５１と第１電極層２６１とが連結される部分および信号基板２５２と第２電極層２６２とが連結される部分は、回路基板の金箔２５５が露出されたまま形成され得る。

接地基板２５１と第１電極層２６１とが連結される部分および信号基板２５２と第２電極層２６２とが連結される部分を除いた接地基板２５１および信号基板２５２の残りの部分は、それぞれの回路基板と連結される光学装置１００のコネクタ部分との連結部を除けば、全て絶縁されて形成され得る。

このとき、接地基板２５１と信号基板２５２は、５０μｍ未満の厚さに形成され得、金箔２５５の厚さは、１００ｎｍ未満に形成され得る。

上記のような積層構造は、それぞれの圧電素子層２３０を構成するそれぞれの圧電素子ごとに全て適用され得、図６および図８を参照すると、複数の圧電素子が一列に配列される場合、図に示すようにそれぞれの圧電素子との積層構造が所定の間隔を隔て配置され得る。

図９は、本発明の第２実施形態に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。図１０は、図９に示す超音波プローブモジュールの第２実施形態をＩＩＩ－ＩＩＩ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。図１１は、図９に示す超音波プローブモジュールの第２実施例をＩＶ－ＩＶ’方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。以下、本発明の他の実施形態を説明するにあだって、前述の実施形態と同一の構成については詳細な説明を省略し、前述の実施形態と区別される構成を中心に本発明の様々な実施形態について説明する。

図９～図１１に示す本発明の第２実施形態に係る超音波プローブモジュール２００を参照すると、レンズ２１０から他側へ整合層２２０、圧電素子層２３０、およびブロック層２４０が順次配置されることは、図６～図８に示す第１実施形態に係る超音波プローブモジュール２００と同一である。

ただし、図６～図８に示す超音波プローブモジュール２００とは異なり、図９～図１１に示す超音波プローブモジュール２００の変形例の場合、接地基板なしに信号基板２５２のみで回路基板が構成され得る。

このとき、図１０を参照すると、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の変形例では、金箔で接地基板に代わる接地金箔２５３が備えられ得る。

接地金箔２５３は、一端部が第１電極層２６１と連結され得、他端部が信号基板２５２に連結され得る。

このとき、図１０を参照すると、接地金箔２５３と他の構成要素との間のショートを防止するために、圧電素子層２３０、第２電極層２６２、および信号基板２５２の金箔２５５と接地金箔２５３との間の空間に絶縁部材２５４が備えられ得る。

本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００は、回路基板や金箔にエポキシなどの接着部材を塗布した後、圧力を加えて回路基板や金箔を圧電素子層２３０に接着することができる。

このとき、接着のために使用される接着部材が形成する接着層は、接着の対象となる回路基板や金箔の厚さと同じ厚さに形成される。

このとき、接着部材が超音波プローブモジュール２００から検出される超音波スキャンデータに影響を与えることがあるので、接着層が薄く形成されるほどノイズや歪みのない超音波スキャンデータを得ることができる。

回路基板は、５０μｍの厚さに形成できるものとは異なり、金箔の厚さは、１００ｎｍ未満に形成できるので、図９～図１１に示す超音波プローブモジュール２００のような変形された構成を採用する場合、図６～図８に示す超音波プローブモジュール２００の構成に比べて接着層をより薄く形成することが可能である。

したがって、当該変形例に係る構造を採用する場合、より正確な超音波スキャンデータを獲得できるという長所がある。

図１２は、本発明の第３実施形態に係る光学装置の超音波プローブモジュールを図１０と同じ方向から見た断面と当該断面の一部を拡大して示す図である。

図１２を参照すると、第３実施形態の場合、圧電素子層２３０の他側に配置されるブロック層２４０が圧電素子層２３０、整合層２２０、およびレンズ２１０に比べてより広い幅を有するように形成され得る。

これにより、図６～図１１に示す超音波プローブモジュール２００の場合とは異なり、信号基板２５２が圧電素子層２３０とブロック層２４０との間を干渉せず、圧電素子層２３０側面で圧電素子層２３０と信号基板２５２とが連結され得る。

この場合、圧電素子層２３０と信号基板２５２との電気的連結のために、信号基板２５２から突出した金箔２５５が圧電素子層２３０とブロック層２４０との間に配置され得る。

この場合、信号基板は、５０μｍの厚さに形成できるものとは異なり、金箔の厚さは、１００ｎｍ未満に形成できるので、当該変形例は、信号基板２５２が圧電素子層２３０とブロック層２４０との間を干渉して超音波の送受信に与える影響を最小限に抑えることができる。

また、当該変形例の場合、図９～図１１に示す超音波プローブモジュール２００の場合と同様に、接地基板を接地金箔２５３に置き換える構成を採用しているので、図６～図８に示す超音波プローブモジュール２００の構成に比べて接着層をさらに薄く形成することが可能である。

以上のような超音波プローブモジュール２００の積層構造は、圧電素子層２３０を構成する圧電素子の配置が変わる追加の変形例にも同一に適用され得る。

図１３は、本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第１変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。図１４は、本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第２変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。図１５は、本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第３変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。図１６は、本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第４変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。図１７は、本発明に係る光学装置の圧電素子の配置の第５変形例に係る光学装置の超音波プローブモジュールを示す図である。

図１３を参照すると、圧電素子層２３０を構成する圧電素子は、凸状（Ｃｏｎｖｅｘ）に配列され得る。

圧電素子層２３０が凸状に形成される場合、これにより、レンズ２１０、整合層２２０、およびブロック層２４０も凸状に形成され得る。

この場合、超音波プローブモジュール２００がより広い領域を照射できるという長所がある。

このように、超音波プローブモジュール２００の圧電素子層２３０、レンズ２１０、整合層２２０、およびブロック層２４０の形状が凸状に形成される場合にも、超音波プローブモジュール２００の積層順序と透明度およびハウジング４００内における光学機器３００との位置関係は、前述した圧電素子層２３０の配置が変形されていない場合と同一に形成され得る。

したがって、図１３に示すように、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の圧電素子層２３０の第１変形例の場合にも、光がハウジング内で光学機器３００から超音波プローブモジュール２００を透過してハウジングの外部に進むことができる。

図１４を参照すると、圧電素子層２３０を構成する圧電素子は、凹状（Ｃｏｎｃａｖｅ）に配列され得る。

圧電素子層２３０が凹状に形成される場合、これによりレンズ２１０、整合層２２０、およびブロック層２４０も凹状に形成され得る。

この場合、超音波プローブモジュール２００が比較的狭い領域を集中して照射できるという長所がある。

このように、超音波プローブモジュール２００の圧電素子層２３０、レンズ２１０、整合層２２０、およびブロック層２４０の形状が凸状に形成される場合にも、図１３の場合と同様に、超音波プローブモジュール２００の積層順序と透明度およびハウジング４００内における光学装置３００との位置関係は、前述した圧電素子層２３０の配置が変形されていない場合と同一に形成され得る。

したがって、図１４に示すように、本発明の一実施形態に係る超音波プローブモジュール２００の圧電素子層２３０の第２変形例の場合にも、光がハウジング内で光学装置３００から超音波プローブモジュール２００を透過してハウジングの外部に進むことができる。

このように、図１５～図１７に示す圧電素子層２３０の配列が変形される第３変形例～第５変形例も、光がハウジング内で光学装置３００から超音波プローブモジュール２００を透過してハウジングの外部に進むことができるのは同じである。

図１５を参照すると、圧電素子層２３０を構成する圧電素子は、縦横の２次元平面（２Ｄ Ｍａｔｒｉｘ）をなす形状に配列され得る。

この場合、前述した一方向に配列された超音波プローブモジュール２００の積層構造は、縦横の２次元方向に配列され得る。

この場合、超音波プローブモジュール２００がより容易に３次元映像を獲得できるという長所がある。

図１６を参照すると、圧電素子層２３０を構成する圧電素子は、半径の異なるリング形状に形成され、同心円（Ａｎｎｕｌａｒ）形状に配列され得る。

この場合、リング形状に形成されるそれぞれの圧電素子に応じてレンズ２１０、整合層２２０、およびブロック層２４０もリング形状に形成され得る。

図１７を参照すると、圧電素子層２３０を構成する圧電素子は、半球（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ）をなす形状に配列され得る。

この場合、前述した一方向に配列された超音波プローブモジュール２００の積層構造は、それぞれの圧電素子を配列に沿って配置され得る。

この場合、超音波プローブモジュール２００は、図１４に示す変形例に比べてより狭い地点をより強く集中して照射できるという長所がある。

上記のような構造を採用することにより、本発明の一実施形態に係る光学装置１００は、超音波プローブと光学装置とが非同軸に結合される従来の光学装置とは異なり、信号対雑音比を改善し、機器を小型化することができる。

さらに、本発明の一実施形態に係る光学装置１００は、検体５００の深さ方向の全領域Ｌ３に沿って互いに一致する超音波映像情報と光学映像情報を得ることができる。

これにより、多様な情報を有する映像を同時に得ることができるので、病変診断の精度を高めることができる。

同時に、本発明の一実施形態に係る光学装置１００は、光吸収、光散乱などの特性を活用して、蛍光標識を通じて特定の組織をターゲットにして映像情報を生成するか、光吸収程度を用いた酸素飽和度測定などより広い領域の作業を行うことができる。

また、本発明の一態様に係る光学装置１００は、多重圧電素子を適用することによって画質を向上させ、広い視野角を提供することができる。

また、本発明のまた他の態様に係る光学装置１００は、多重圧電素子の配列を多様化して目的に応じた光学装置を提供することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施形態に限定されず、本発明の思想を理解する当業者は、同一の思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施形態を容易に提案することができるが、これも本発明の思想の範囲内にある。

２０ 従来の超音波センサ
２１ 超音波ビーム
３０ 従来の光学機器
３１ 光学ビーム
１００ 光学装置
２００ 透明超音波プローブモジュール
２０１ 超音波ビーム
２１０ レンズ
２２０ 整合層
２２２ 第１整合層
２２４ 第２整合層
２３０ 圧電素子層
２４０ ブロック層
２５１ 接地基板
２５２ 信号基板
２６１ 第１電極層
２６２ 第２電極層
３００ 光学機器
３０１ 光学ビーム
４００ ハウジング
５００ 検体

Claims (20)

1. 光学装置のハウジングの内部に備えられる透明超音波プローブモジュールであって、
   前記ハウジングの内部の一側に備えられ、透明な素材で形成され、一面がハウジングの外部に露出されるように配置されるレンズと、
   前記レンズの他面上に備えられ、透明な素材で形成される第１整合層と、
   前記第１整合層上に備えられ、電気信号と機械信号とを相互変換することができる複数の透明な圧電素子を含む圧電素子層と、
   透明な素材で形成され、それぞれ前記圧電素子層の一面と他面上に備えられ、電気信号を伝達する第１電極層および第２電極層と、
   前記圧電素子層の中央部に対応する部分に開口が形成され、前記圧電素子層の縁に付着され、前記第１電極層および第２電極層に連結され曲げられる素材で形成され、前記圧電素子と電気信号を送受信することができる回路基板と、
   前記第２電極層上に備えられ、透明な素材で形成され、超音波ノイズを除去するためのブロック層と、を含み、
   前記回路基板は、接地基板と信号基板で構成され、前記圧電素子層の前記中央部に対応する前記部分は、前記接地基板および前記信号基板が開けられたまま形成され、前記開口は、前記接地基板および前記信号基板の前記開けられた部分によって形成される、透明超音波プローブモジュール。
2. 前記第１整合層と前記レンズとの間に透明な素材で形成された第２整合層をさらに備える、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
3. 前記回路基板は、透明な素材で形成される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
4. 前記接地基板は、前記第１電極層と前記第１整合層との間で前記第１電極層と連結され、
   前記信号基板は、前記第２電極層と前記ブロック層との間で前記第２電極層と連結される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
5. 前記回路基板は、接地機能を担う金箔板と前記信号基板で構成される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
6. 前記金箔板は、前記第１電極層と前記第１整合層との間で前記第１電極層と連結され、
   前記信号基板は、前記第２電極層と前記ブロック層との間で前記第２電極層と連結される、請求項５に記載の透明超音波プローブモジュール。
7. 前記ブロック層は、前記圧電素子層および前記第２電極層よりも広い表面を有するように形成され、
   前記信号基板は、前記ブロック層の上面のうち前記圧電素子層および前記第２電極層から突出している一部の上に配置されて、前記第２電極層と導電性物質を介して連結される、請求項６に記載の透明超音波プローブモジュール。
8. 前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、一列に配置される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
9. 前記複数の圧電素子は、一列に配置されるが、上に向かって凸状にそびえるアーチ形状に配列される、請求項８に記載の透明超音波プローブモジュール。
10. 前記複数の圧電素子は、一列に配置されるが、上に向かって凹状に凹んだＵ字型状に配列される、請求項８に記載の透明超音波プローブモジュール。
11. 前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、横と縦の格子形状に配置される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
12. 前記圧電素子層を構成する複数の圧電素子は、円形状に配置される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
13. 前記複数の圧電素子は、それぞれ直径の異なるリング形状に形成されて、同心円形状を描いて配置される、請求項１２に記載の透明超音波プローブモジュール。
14. 前記複数の圧電素子は、一定の曲率を有する半球形状に配置される、請求項１２に記載の透明超音波プローブモジュール。
15. 前記第１整合層および前記ブロック層は、プラスチック、シリコン、ガラス、エポキシのうち一つ以上の素材で形成されるか、前記素材に数ナノメートルないし数百マイクロメートルの直径を有する粉末を混ぜた複合体で形成される、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
16. 前記レンズは、凹レンズ、凸レンズ、平面レンズのうちいずれか一つの形状を有する、請求項１に記載の透明超音波プローブモジュール。
17. ハウジングと、
    前記ハウジングの内部の一側に備えられる請求項１ないし請求項１６のうちいずれか一項の透明超音波プローブモジュールと、
    前記ハウジングの内部の他側に備えられ、前記ハウジングの長手方向に沿って前記透明超音波プローブモジュールと同軸に配置される光学機器と、を含む、光超音波光学装置。
18. 前記ハウジングの内部に備えられ、
    前記光学機器と前記透明超音波プローブモジュールとの間に配置される光学レンズをさらに含む、請求項１７に記載の光超音波光学装置。
19. 前記光学機器は、カメラである、請求項１７に記載の光超音波光学装置。
20. 前記光学機器は、光を照射する光源である、請求項１７に記載の光超音波光学装置。