JPH04329936A - 非破壊光検査方法および非破壊光検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多重階層構造を持つ透
光体，散乱媒体の非破壊検査、および無侵襲の生体計測
に使用することのできる非破壊光検査方法および非破壊
光検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、生体計測の分野では、無侵襲で非
破壊な計測手段として超音波診断装置やＸ線ＣＴが知ら
れている。超音波診断装置は、被検体の表面に密着させ
た送波振動子に高周波の交流電圧を加えて被検体内に超
音波を放射し、例えば被検体からの反射波を受波振動子
で受信する。被検体内に異質部がある場合には、異質部
で反射したエコーが異質部のない箇所に入射して被検体
対向面から反射してくるエコーよりも時間的に早く受信
されるので、これを検出することによって異質部の存在
を検出することができる。

【０００３】また、Ｘ線ＣＴは、被検体の一方の面から
Ｘ線を照射して、他方の側に配置された検出器で透過Ｘ
線を受けて透視データを得る。生体の各組織は、Ｘ線の
吸収率が異なるので、透視データを所定の数学的手法に
よって画像再構成することにより所望の断層像を得るこ
とができる。

【０００４】ところが、上述した超音波診断装置は、超
音波エコーを利用していることから十分な分解能を得る
ことができないという欠点があった。また、Ｘ線ＣＴの
場合は被検体となる生体がＸ線被爆するという欠点があ
った。

【０００５】そこで、最近では光による生体内部の計測
手段が考えられている。この種の計測手段として光ＣＴ
法が知られている。光ＣＴ法は、Ｘ線などの場合と異な
り、生体内に入射した光は生体組織や赤血球などによっ
て多重散乱を受けて様々な光路を通るため、透過光はそ
れらの光束が重ね合わされたものとなる。そのため、画
像を再構成するためには、Ｘ線ＣＴに用いられているラ
ドン変換等の数学的手法をそのまま適用することができ
ない。

【０００６】このため、光ＣＴを実現するための手法の
一つは、生体は光に対して等方散乱体であると仮定して
、透過光を時間分解して前方散乱特性を観測し、この観
測データをモンテカルロ法により処理し、所定の変換を
施すことによって断層像を再構成するものである。

【０００７】また、光ＣＴを実現するための他の手法と
して、レーザ光のコヒーレント特性を利用した光ヘテロ
ダイン検出法がある。これは、被検体にレーザ光を入射
して、直進光のみを検出することによって生体内部の情
報をＣＴ化しようとするものである。この手法によれば
、光散乱媒質中に埋もれた試料の画像を検出できること
が確認されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た生体を光に対して等方散乱体であると仮定する手法は
、画像を再構成する際のアルゴリズムが極めて複雑にな
り、計算処理に長時間を要するという問題がある。また
、光ヘテロダイン検出法は、得られた光情報から画像を
再構成するための再変換手法のアルゴリズムが確立され
ておらず、生体内部情報の検出が困難であった。

【０００９】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、生体内部情報を簡単かつ短時間で検出でき、
簡単なアルゴリズムで画像再構成できる光ＣＴを実現し
得る非破壊光検査方法及び非破壊光検査装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る非破壊光検査方法は、被検体に超音波
を発生させ、この超音波の音響歪みによって屈折率変化
が生じた前記被検体にコヒーレントなプローブ光を入射
し、前記被検体を透過または反射してきた光の位相変化
を検出して、この検出結果から前記被検体の内部情報を
得るようにした。　　また、上記目的を達成するために
、本発明に係る非破壊光検査装置は、被検体に入射する
コヒーレントなプローブ光を発生させる光源と、前記被
検体に超音波パルスを発生させる超音波発生手段と、前
記被検体を透過または反射してきた光を電気信号に変換
する光電変換手段と、この光電変換手段から出力される
電気信号とこの電気信号を得るために前記被検体に入射
されたプローブ光の位相情報とに基づいて前記プローブ
光が前記被検体を伝搬する際に受けた位相変化を検出す
る位相検出手段とを具備してなるものとした。

【００１１】

【作用】本発明によれば、被検体に発生させた超音波に
よって、被検体の屈折率が変化し、この被検体内に入射
されたプローブ光は、被検体内を進行する際に屈折率変
化に応じて位相変化を受ける。このプローブ光の位相変
化は被検体内部の情報を含んでいることから、この位相
変化を検出することによって被検体の内部情報が検出さ
れる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明する
。

【００１３】図１には本発明の一実施例に係る非破壊光
検査装置を示す。この装置は、プローブ光を発生する光
源として５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ１を、また超音波パ
ルスを発生するための超音波発生手段としてＱスイッチ
のＮｄ：ＹＡＧレーザ２をそれぞれ備えている。Ｈｅ−
Ｎｅレーザ１から出力されたレーザ光はハーフミラー３
でプローブ光と参照光とに分離される。ハーフミラー３
を透過したプローブ光はダイクロイックミラー４を通っ
て被検体Ｓに入射する。

【００１４】また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２は、１ミリジ
ュール程度の使用エネルギーによってパルス幅１μｓ程
度のパルス光を出力する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２から出
力されたパルス光はハーフミラー５に入射し、ここで極
めて僅か透過した光が高速フォトダイオード６に入射し
、かつ反射光がダイクロイックミラー４に導かれる。 ダイクロイックミラー４で反射されたパルス光によって
被検体Ｓが照射される。ここで、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２
からのパルス光が被検体Ｓを照射すると、被検体Ｓ表面
でパルス光が熱的に吸収されて超音波パルスが発生し、
被検体Ｓに放射される。なお、被検体表面にＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ光のみを吸収する薄膜をコートすれば超音波パ
ルスの発生効率を上げることができる。

【００１５】一方、ハーフミラー３で反射された参照光
は、ミラー７で反射されて音響光学変調器８に入力され
る。この音響光学変調器８は、入力した参照光の位相を
制御する機能を有し、例えば参照光の位相をωだけシフ
トさせる。音響光学変調器８で位相制御された参照光は
ハーフミラー９に入射する。このハーフミラー９には、
被検体Ｓを透過したプローブ光がミラー１０で反射され
て入射する。

【００１６】ハーフミラー９において合成される被検体
Ｓを透過したプローブ光と位相制御された参照光とは干
渉し、この干渉光がアバランシェフォトダイオード１１
に入射する。アバランシェフォトダイオード１１の出力
は、プリアンプ１２で増幅された後、干渉光のビート信
号を検出するためのロックインアンプ１３に入力される
。ロックインアンプ１３は、プリアンプ出力が入力する
メインアンプ１４と、このメインアンプ出力から被検体
Ｓを透過したプローブ光の位相を復調する復調器１５と
、この復調器出力が入力するローパスフィルタ１６と、
発振器１７とからなる。発振器１７は、高周波発振器１
８に参照信号を与え任意の周波数で発振させると共に、
その発振周波数に同期させた同期信号を復調器１５に与
える。

【００１７】ローパスフィルタ１６の出力は、インター
フェース１９を介してコンピュータ２０に取込まれると
共に、時間軸変化アンプ２１を介してデジタルオシロス
コープ２２に入力する。なお、時間軸変化アンプ２１、
デジタルオシロスコープ２２および発振器１７には、高
速フォトダイオード６の出力がトリガ信号として入力さ
れる。

【００１８】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。

【００１９】本実施例においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１
からレーザ光が出力されてプローブ光が被検体Ｓに入射
され、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ２から出力されたパルス光が
被検体Ｓ表面に照射されて被検体Ｓに超音波パルスが発
生する。

【００２０】被検体Ｓ内を超音波パルスが進行すると、
超音波パルスによって被検体内の物質が歪み光弾性効果
による屈折率変化を被検体Ｓ内に生じさせる。被検体Ｓ
内に生じる屈折率変化は、例えば生体内の異質部や組織
の種類、または構造状態などによって異なるため被検体
内部情報を示すパラメータとなる。

【００２１】被検体Ｓ内を通過するプローブ光は、屈折
率変化Δｎに応じてΔｄの位相変化を受ける。この位相
変化Δｄは、 位相変化Δｄ＝２π（Δｎ・パルス幅／基準光波長λ）
として計算できる。

【００２２】本実施例は、プローブ光の位相変化を高精
度に検出するためにヘテロダイン検出法を適用している
。即ち、プローブ光の一部をハーフミラー３で分離して
参照光として音響光学変調器８に入力し、参照光の各周
波数をωだけシフトさせた後、位相変化を受けている透
過プローブ光と干渉させ、この干渉光のビート信号をロ
ックインアンプ１３で検出している。

【００２３】ここで超音波パルスによって被検体Ｓ内に
生じる屈折率変化をΔｎとすると、 Δｎ＝（１／２）　ｎ３　ＰＳ ＝（Ｍｅ・ＰＡ　／２Ａ）１／２　 と表すことができる。なお、ｎは屈折率、Ｐは光弾性定
数、Ｓは物質の歪み、Ｍｅはフィギャーオブメリット、
ＰＡ　は超音波パルスエネルギー、Ａは超音波パルスの
入射面積をそれぞれ示している。

【００２４】生体の多くは水から構成されているので、
屈折率変化を水の値で見積もると、Ｍｅ＝１６０×１０
−１８　（ｓｅｃ３　／ｇ）となり、例えば５波からな
る５ＭＨｚの超音波パルスを１ミリジュール印加し、パ
ルス入射面積が１ｍｍ×１ｍｍであったとすれば、ＰＡ
　＝１０３　Ｗとなり、屈折率変化Δｎは、

【００２５】

【数１】

【００２６】となる。したがって、プローブ光の位相変
化Δｄは、 Δｄ＝２π（９×１０−３×１．４　×１０３　／λ）
＝２π（１２．６／λ） となる。なお、λ（基準光波長）の単位はμｍである。 したがって、被検体内で超音波パルスによって誘起され
る屈折率変化は、上述した光干渉法によって十分に検出
できる。

【００２７】なお、超音波パルスは被検体内部において
吸収作用を受けるので、超音波パルスエネルギーＰＡ　
は、被検体内部の場所の関数となり、ＰＡ　（Ｌ）＝Ｐ
０　ｅｘｐ（−αＬ）と表される。なお、Ｌは被検体表
面からの距離、αは吸収係数、Ｐ０　は超音波入射強度
をそれぞれ示している。

【００２８】従って、本実施例では、ロックインアンプ
１３から出力されるプローブ光位相変化を時間軸変化ア
ンプ２１を介してデジタルオシロスコープ２２に入力し
、プローブ光位相変化をｌｏｇ変換して縦軸にとり、時
間軸を等時間間隔で横軸にとって表示し、図２（ａ）に
示すようなプローブ光位相変化観測画面を得ている。 このデジタルオシロスコープ２２の表示画面を観測する
ことにより、プローブ光の位相変化を容易に把握でき被
検体内部の構造を知ることができる。

【００２９】また、コンピュータ２０は、被検体Ｓをプ
ローブ光で２次元走査して、この時の各プローブ光の位
相変化データを収集し、このデータから２次元断層像を
再構成する事も可能である。

【００３０】この様に本実施例によれば、被検体Ｓに超
音波パルスを発生させて被検体内に屈折率変化を生じさ
せ、その被検体Ｓにプローブ光を通すことによってプロ
ーブ光が受けた位相変化から屈折率変化を検出するよう
にしたので、極めて容易かつ短時間のうちに被検体内部
情報を得ることができる。また、入射超音波のエコーデ
ータを検出する方法では実現することのできない横方向
の分解能を実現することもできる。

【００３１】なお、上記一実施例においては、超音波パ
ルスを使用しているが、本発明は超音波パルスに限定さ
れるものではなく、連続波を使用することもできる。最
も先端の波面が被検体Ｓの対向面に達するまで定常的強
度で続く連続波をプローブ光とした場合、先端の波面が
対向面に達するまでの過渡的なプローブ光の位相変化は
、（２／α）（Ｍｅ・Ｐｉｎ／２Ａ）１／２　ｅｘｐ（
−αＬ／２）に比例するものとなる。なお、Ｐｉｎは超
音波の被検体Ｓへの入射強度を示している。

【００３２】よって、図２（ｂ）に示すように、縦軸に
ｌｏｇ変換した連続波プローブ光の位相変化をとり、横
軸に被検体表面からの距離Ｌをとって表示することによ
り、連続波プローブ光の位相変化によって被検体内構造
を知ることができる。

【００３３】また、上記一実施例では超音波パルス発生
手段として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光を用いているが、チ
タン酸バリウムなどの圧電素子からなる探触子を用いる
事もできる。さらに、上記実施例ではプローブ光の透過
光の位相変化を検出しているが、プローブ光の反射光の
位相変化を検出するようにしてもよい。さらにまた、プ
ローブ光の入射方向と超音波パルスの入射方向とが同一
方向であったが両者を逆方向にすることもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、生
体内部情報を簡単かつ短時間に得ることができ、簡単な
アルゴリズムで画像再構成できる光ＣＴを実現し得る非
破壊光検査方法及び非破壊光検査装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例に係る非破壊光検査装置
の構成図。

【図２】　　プローブ光の位相変化を示す図。

【符号の説明】

１…Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源、２…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光
源、３，５，９…ハーフミラー、７，１０…ミラー、４
…ダイクロイックミラー、６，１１…フォトダイオード
、８…音響光学変調器、１３…ロックインアンプ、２０
…コンピュータ、２２…デジタルオシロスコープ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被検体に超音波を発生させ、この超音
   波の音響歪みによって屈折率変化が生じた前記被検体に
   コヒーレントなプローブ光を入射し、前記被検体を透過
   または反射してきた光の位相変化を検出して、この検出
   結果から前記被検体の内部情報を得ることを特徴とする
   非破壊光検査方法。
2. 【請求項２】　　被検体に入射されるコヒーレントなプ
   ローブ光を発生させる光源と、前記被検体に超音波を発
   生させる超音波発生手段と、前記被検体を透過または反
   射してきた光を電気信号に変換する光電変換手段と、こ
   の光電変換手段から出力される電気信号とこの電気信号
   を得るために前記被検体に入射されたプローブ光の位相
   情報とに基づいて前記プローブ光が前記被検体を伝搬す
   る際に受けた位相変化を検出する位相検出手段と、を具
   備したことを特徴とする非破壊光検査装置。