JPWO2011093108A1 - 超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

構造的に分解能を向上させることが可能な超音波プローブを提供することを目的とする。この超音波プローブは、被検体（１１）に超音波を送信する超音波プローブ（１２）と、被検体（１１）内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出する光プローブ（１３）と、を備え、前記超音波プローブ（１２）の開口は、前記光プローブ（１３）の開口よりも大きい。それにより、被検体（１１）からの反射波（超音波）を大開口で検出するので、送信される超音波の幅と比較して高い分解能が得られる。

Description

本発明は、超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置に関し、特に、超音波を受信もしくは送受信して超音波画像を得る超音波プローブおよび、それを用いた超音波検査装置に関する。

超音波検査装置は、超音波を被検体内に送波し、被検体内で反射される反射波に基づいて被検体内部の情報を画像化する装置である。このような超音波検査装置は、リアルタイム性、簡便さ、非侵襲性などの特徴を有するため、心臓の拍動や胎児の様子の観察等、生体を被検体とする用途にも利用されている。また、超音波検査装置は、近年では乳癌検査等にも用いられるようになってきており、さらに高い空間分解能が求められている。

超音波検査装置の空間分解能は、深さ方向の距離分解能と方位方向の方位分解能とに分けられる。距離分解能は送信ビームのパルス長に依存し、パルス波に含まれる波数が少ないほど、また、超音波の周波数が高いほど、良い分解能が得られる。この距離分解能は、ＣＴ並の分解能を実現することも可能である。一方、方位分解能は、送受信される超音波ビームの方位方向の幅（以後、ビーム幅）に依存するため、従来、近距離から遠距離まで広い範囲で高い分解能を実現するのが困難であった。

このため、広範囲で高い空間分解能を必要とする超音波検査装置では、送受信される超音波ビームの焦点位置を制御できるように構成された、アレイ型の超音波プローブが用いられるようになってきた。このアレイ型の超音波プローブは、複数の振動子を１次元または２次元に配列して構成され、各振動子に電圧が印加されるタイミングが制御されることにより、送信ビームまたは受信ビームの焦点位置が制御される。

このような超音波プローブを用いた場合に空間分解能を向上させる方法の例として、深度方向に焦点位置を変えながら送信ビームを複数回送波し、各送信ビームの焦点位置付近からの反射波の信号を合成する、いわゆる多段フォーカス法（例えば、特許文献１）を用いる方法がある。また、受信ビームの焦点位置を深度方向にずらしながら信号の受信を行う、いわゆるダイナミックフォーカス法（例えば、特許文献２）も実用化されている。また、受信した信号を一旦、デジタルメモリに記憶させ、求めたい焦点位置に応じて受信信号を呼び出して整相加算を行うデジタルビームフォーミング（例えば、特許文献３）を用いる方法も半導体技術の向上により実現可能となっている。

しかしながら、このようなアレイ型の超音波プローブのうち、特に２次元のアレイプローブでは、振動子を構成する圧電素子の微細加工と、多数の圧電素子への配線とを行うことは技術的に難しい。

それに対し、多数の圧電素子への電気的配線を不要にする方法として、超音波信号を光信号に変換して検出する方式のセンサが提案されており、ファイバブラッググレーティングを用いる方法や、ファブリー・ペロー共振器構造を用いる方法が報告されている。また、２次元の検出面を有する光検出方式の超音波センサを用いる方法も提案されている（例えば、特許文献４）。

特開２００２−０５８６７１号公報 特開２００４−３１３４８５号公報 特開２００１−２７６０５８号公報 特開２００４−０００４８２号公報

しかしながら、前記従来技術では、以下に説明するように、超音波検査装置の方位分解能向上の点で十分ではなく、さらに、それぞれ課題を有している。

例えば、特許文献１に開示された構成では、同じ方向に対して焦点深さを変えて複数回、超音波を送受信する必要があるため、広範囲で高い分解能を得ようとすると撮像時間の増加が課題となる。それに対し、特許文献２および特許文献３に記載された構成は、１回の送信に対して受信ビームの焦点位置を複数設定して分解能を高めることができるため、撮像時間を増やさずに広範囲の分解能を向上させることができる。

しかし、特許文献１〜３に開示された方式はいずれも、信号の検出方法および検出した信号の処理で分解能を向上させる方法であり、構造的に分解能を向上させるものではない。ただし、これらの方式と構造的に高い分解能を実現する構成とを組み合わせれば、さらに高い分解能が実現できることは推察できる。

また、特許文献４に開示された構成は、受信した信号を光信号に変換して検出することにより圧電素子の微細加工や電気的配線を不用とし、２次元のアレイプローブを可能としている。しかし、受信装置の信号検出方法、特にＳ／Ｎを向上させる検討のみであり、分解能に関する検討は全くなされていない。

本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、構造的に分解能を向上させることが可能な超音波プローブ、およびそれを用いた超音波検査装置を提供することを目的とする。

上記従来の目的を達成するために、本発明に係る一態様の超音波プローブは、被検体に超音波を送信する超音波送信部と、前記被検体内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出する超音波検出部と、を備え、前記超音波検出部の前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出するための領域の面積は、前記超音波送信部の前記被検体に超音波を送信するための領域の面積よりも大きい。

本構成によれば、被検体からの反射波（超音波）を大開口で検出することができるので、送信される超音波の幅と比較すると高い分解能が得られる。また、送信する超音波の幅を広げるとともに、走査ピッチを広げることができるため、走査を行う際の超音波の送受信の回数を少なくでき、撮像時間の短縮を図ることができる。

また、超音波エコーを光で検出することにより、超音波検出部は、配線が不用になり、多数の受信スポットを容易に２次元的に配列する構成ができる。

それにより、構造的に分解能を向上させることが可能な超音波プローブを実現することができる。

ここで、前記超音波検出部は、光源と、前記光源が出射した光を前記被検体上に照射する光学系と、前記被検体上からの反射光を受光し、当該反射光に応じた信号を検出する受光素子と、を備え、前記超音波検出部は、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動を、前記受光素子で検出される信号の変化から検出することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出するとしてもよい。

この構成により、光を用いて超音波を検出できる構成を実現できるので、配線が不用になり、多点化および大面積化が容易となる。

また、前記超音波検出部は、さらに、被検体上に前記被検体に密着して配置され、前記被検体内部の組織で反射した超音波による前記被検体の表面の振動に応じて、前記被検体上に照射された光を反射する反射体を有し、前記超音波検出部は、前記反射体により反射された光を前記反射光として受光素子が受光することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出するとしてもよい。

この構成により、光源からの光は反射体に照射され、光源からの光が直接被検体に照射されないので、被検体の安全が確保できる。また、光源からの光は、反射体により反射されるので、照射した光の減衰が抑制でき、十分な光量の確保できる。

また、前記超音波検出部は、前記光源が出射した光を検査用の第１光と参照用の第２光とに分岐する光分岐素子を備え、前記光学系は、前記光分岐素子により分岐された前記第１光を前記被検体上に照射するとともに、前記被検体上で反射した前記第１光に前記光分岐素子により分岐された前記第２光と合波させた光を前記反射光として前記受光素子に受光させ、前記合波させた反射光は、前記反射した第１光と前記第２光との光周波数の差に応じたビート周波数を有し、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動に応じて周波数変調され、前記超音波検出部は、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動を、前記受光素子で検出される前記合波させた反射光の周波数変調による信号の変化から検出することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出するとしてもよい。

この構成により、光学系をヘテロダイン干渉光学系で構成でき、干渉光を検出することで、被検体内部の組織で反射した超音波を検出することができる。

ここで、前記光分岐素子は、前記光源が出射した光の一部を前記第１光として透過し、他部を前記第２光として反射する半透過素子で構成されているとしてもよい。

この構成により、被検体の近くで参照光と検出光とを分離できるため、振動（体動）ノイズを低減できるという効果を奏する。

また、前記反射体は、複数の領域を有し、前記被検体に密着して形成され、前記被検体の表面の振動を示す超音波を前記複数の検出領域ごとに収束させる超音波収束部と、前記超音波収束部の前記被検体と密着しない方の面に形成され、前記被検体上に照射された光を反射する第１の反射素子とを備え、前記超音波収束部は、前記被検体の表面の振動を示す超音波を、前記複数の検出領域ごとに収束させて前記第１の反射素子に増幅して伝搬し、前記第１の反射素子は、増幅した当該超音波に応じて変化される反射率で、前記被検体上に照射された光を反射するとしてもよい。

この構成により、ファブリー・ペロー共振器構造を実現でき、この共振器構造による反射率変化の検出することで、被検体内部の組織で反射した超音波を検出することができる。また、この共振器構造により、被検体内部の組織で反射した超音波を増幅することにより受信感度を向上することができる。

ここで、例えば、前記第１の反射素子は、異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成された第１多層膜および第２多層膜と、前記第２の多層膜を、前記複数の領域ごとに分割するためのスリットと、前記第１多層膜および前記第２多層膜の間に形成され、前記スリットにより分割された前記第２の多層膜の一端を固定するスペーサと、を有し、前記スペーサは、第１多層膜および前記第２多層膜の間に空間を構成し、前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波を、分割された前記第２の多層膜ミラーの固定されていない他端付近に伝搬することにより、前記第２多層膜ミラーが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅するとしてもよい。また、前記第１の反射素子は、異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成された第１多層膜および第２多層膜と、前記第２の多層膜を、前記複数の領域ごとに分割するためのスリットと、前記第１多層膜および前記第２多層膜の間に形成され、前記スリットにより分割された前記第２の多層膜のうち少なくとも１つおきの当該第２の多層膜の一端を固定するスペーサと、を有し、前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波を、分割された当該第２の多層膜ミラーの中央、あるいは、重心位置に伝搬することにより、前記第２多層膜ミラーが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅するとしてもよい。また、前記光源は、波長幅の狭い前記光を出射し、前記第１の反射素子は、異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成され、略等しい反射特性を有する第１多層膜および第２多層膜と、前記第１多層膜が形成され、前記光源からの照明光が入射される基板と、を備え、前記第１多層膜は、共振器構造となるように前記第２多層膜と対向配置され、前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波が伝搬することにより、前記共振器構造の共振器長を変動させて、前記被検体上に照射された光を反射する反射光量を変動させるとしてもよい。

このとき、前記超音波検出部は、前記光源が出射する前記光の波長を、前記第１の反射素子での反射率が最小となるように調整した後に、前記被検体内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出するとしてもよい。

この構成により、光を用いて超音波を検出する時の反射率の変化率を向上させることができ、受信感度を向上することができる。

また、上記従来の目的を達成するために、本発明に係る一態様の超音波検査装置は上記本発明に係る一態様の超音波プローブを備える。

また、前記被検体に密着させて用いられ、前記超音波送信部および前記超音波検出部の一部が構成される検査部と、前記超音波送信部および前記超音波検出部の他部が少なくとも構成される本体部とを有し、前記本体部は、前記光源と、前記受光素子と、前記光学系の一部を少なくとも有するとしてもよい。

また、さらに、前記超音波送信部が超音波を送信するタイミングを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記超音波送信部が超音波を送信した後の経過時間に応じて、前記光源から出射する光の光量を制御するとしてもよい。

この構成により、照射光量の調節でゲインコントロールを行えるので、超音波検査装置を構成する回路を簡略化できるという効果を奏する。

本発明によれば、構造的に分解能を向上させることが可能な超音波プローブ、およびそれを用いた超音波検査装置を実現できる。具体的には、本発明の超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置によれば、高い分解能が得られるとともに、撮像時間を短縮することができるという効果を奏する。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の概略構成図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の概略構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における光プローブの具体的構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における光検出器で検出される参照光と検出光との信号波形を説明するための図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１における光検出器の出力波形を説明するための図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１における光検出器の出力波形を説明するための図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の分解能を説明するための図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の分解能を説明するための図である。 図６は、本発明の実施の形態１における光プローブの具体的構成の変形例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態１における光プローブの他の具体的構成を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の検査用プローブの他の構成を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態１における光プローブの具体的構成の変形例を示す図である。 図１０Ａは、本発明の実施の形態１における光プローブの他の具体的構成を示す図である。 図１０Ｂは、本発明の実施の形態１における光プローブの他の具体的構成を示す図である。 図１１Ａは、本発明の実施の形態２における光プローブおよび受信部の構成を示す図である。 図１１Ｂは、本発明の実施の形態２における光プローブおよび受信部の具体的構成を示す図である。 図１２Ａは、本発明の実施の形態２における超音波検出素子の概略構成を示す模式図である。 図１２Ｂは、図１２Ａに示す超音波検出素子の分光特性を示す図である。 図１３Ａは、本発明の実施の形態２における超音波検出素子製造方法を説明するための図である。 図１３Ｂは、本発明の実施の形態２における超音波検出素子製造方法を説明するための図である。 図１３Ｃは、本発明の実施の形態２における超音波検出素子製造方法を説明するための図である。 図１３Ｄは、本発明の実施の形態２における超音波検出素子製造方法を説明するための図である。 図１４Ａは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の変形例を示す図である。 図１４Ｂは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の変形例を示す図である。 図１５Ａは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の別の変形例を示す図である。 図１５Ｂは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の別の変形例を示す図である。 図１６Ａは、本発明の実施の形態３の変形例１における光プローブおよび受信部の構成を示す図である。 図１６Ｂは、本発明の実施の形態３の変形例１における光プローブおよび受信部の構成を示す図である。 図１７は、本発明の実施の形態３の変形例２における超音波検出素子の概略構成を示す図である。 図１８Ａは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の配置を示す概略構成図である。 図１８Ｂは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の配置を示す概略構成図である。 図１９Ａは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の別の配置を示す概略構成図である。 図１９Ｂは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の別の配置を示す概略構成図である。 図２０Ａは、本発明の実施の形態４の変形例１における超音波検査装置の構成を示す図である。 図２０Ｂは、本発明の実施の形態４の変形例１における超音波検査装置の構成を示す図である。 図２１Ａは、本発明の実施の形態４の変形例２における超音波検査装置の構成を示す図である。 図２１Ｂは、本発明の実施の形態４の変形例２における超音波検査装置の構成を示す図である。

以下、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。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状等については正確な表示ではない場合がある。

（実施の形態１）
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置１０の概略構成図である。図１Ａは構成を示すブロック図であり、図１Ｂは、超音波検査装置１０の検査用プローブにおいて、超音波の送受信を行うポイントの配置を示している。

超音波検査装置１０は、超音波を被検体１１に送信する超音波プローブ１２と、被検体１１の表面の微小振動を光で検出し、その情報を変調して出力する光プローブ１３と、光プローブ１３の出力信号を復調して得られる検出信号を増幅およびデジタル変換して出力する受信部１４と、受信部１４から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミングなどの整相加算を行う信号処理部１５と、信号処理部１５で生成された３次元データに基づいて、３次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部１６と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部１７と、超音波プローブ１２が超音波を送信するための駆動信号を発生する送信部１８と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送信部１８を制御する制御部１９とを有している。また、信号処理部１５は、受信部１４から出力された検出信号を記憶する記憶部１５ａと、記憶部１５ａに記憶された信号データに基づいてビームフォーミング処理を行う演算処理部１５ｂと、演算処理部１５ｂで得られた情報を３次元データとして記憶する画像メモリ１５ｃとを有している。

図１Ｂに示すように、超音波検査装置１０の検査用プローブは、超音波の送信を行う超音波プローブ１２の振動子１２１の周りに、超音波の受信を行う光プローブ１３の受信スポット１３１が配置されて構成されている。ただし、図１Ｂに示した構成は一例であり、送信部の開口より受信部の開口が大きくなるように超音波プローブ１２と光プローブ１３とが別体で構成されていれば、別の配置でも良い。また、振動子１２１と各受信スポット１３１は平面状に配置されている必要は無く、相対的な位置関係が分かっていれば、被検体の形状に沿って配置されていてもよい。なお、超音波プローブ１２と光プローブ１３とが別体で構成されるが、超音波検査装置１０の検査用プローブとして１つの筐体に備えられる。そして、図１Ｂに示すように検査用プローブの構成として超音波の送受信を行うポイントが配置されている。換言すると、超音波検査装置１０の検査用プローブは、超音波プローブ１２と光プローブ１３とを別体で備え、超音波の送受信を行うポイントが２次元的に配置される。

より具体的には、検査用プローブは、超音波プローブ１２の少なくとも超音波を送信する機能を有する構成と、光プローブ１３の少なくとも被検体１１の表面の微小振動を光の情報にして受信する機能を有する構成とを備えればよい。そのため、超音波検査装置１０では、検査用プローブと、検査用プローブ以外の他の構成を備える装置本体部（診断装置側）とで構成される。つまり、装置本体部は、超音波プローブ１２と光プローブ１３とのうち検査用プローブに構成されていない構成部分と、受信部１４と、信号処理部１５と、画像処理部１６と、画像表示部１７と、送信部１８と、制御部１９とを備える。

超音波プローブ１２は、本発明における超音波送信部に相当し、被検体に超音波を送信する。具体的には、超音波プローブ１２は、複数の振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成され、各振動子はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電素子に、電極を形成して構成されている。振動子アレイは、各振動子の電極に送信部１８から送られる遅延処理を施されたパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスを発生させるとともに、発生させた超音波をフォーカスおよび偏向できるように構成されている。この構成により、超音波プローブ１２は、３次元方向に超音波２６を送信してセクタ走査が行える。なお、超音波プローブ１２はメカニカル揺動型のプローブで構成されることにより、３次元走査できるとしてもよい。

光プローブ１３は、本発明における超音波検出部に相当し、被検体内部の組織で反射した超音波（超音波エコー２８）を、光を用いて検出する。そして、光プローブ１３の被検体１１内部の組織で反射した超音波を検出するための領域の面積（開口）は、超音波プローブ１２の被検体１１に超音波を送信するための領域の面積（開口）よりも大きい。また、光プローブ１３は、光源と、光源が出射した光を被検体１１上に照射する光学系と、被検体１１上からの反射光を受光し、当該反射光に応じた信号を検出する受光素子と、を備え、光プローブ１３は、被検体１１の表面に伝搬した超音波による被検体１１の表面の振動を、前記受光素子で検出される信号の変化から検出することにより、被検体１１の内部の組織で反射した超音波（超音波エコー２８）を検出する。

換言すると、光プローブ１３は、例えばヘテロダイン干渉光学系またはファブリー・ペロー共振器構造により構成され、典型的にはヘテロダイン干渉光学系により構成される。以下では、光プローブ１３は、ヘテロダイン干渉光学系により構成されるとして説明する。すなわち、光プローブ１３は、周波数変調されたレーザ光を検出光と参照光とに分離し、検出光を被検体１１の表面に配置した超音波検出素子に照射するとともに、超音波検出素子で反射した検出光を参照光とを干渉させて検出を行うように構成されている。また、光プローブ１３は、検出した信号（出力信号）を受信部１４に出力する。この出力信号は搬送波をＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調した波形となっている。

そして、この出力信号を受信部１４で復調することにより被検体１１表面の微小振動、すなわち、超音波エコーの情報が得られる。この光プローブ１３の具体的構成および信号の検出原理については後述する。

図２は、本発明の実施の形態１における光プローブ１３の具体的構成を示す図である。

図２において、光プローブ１３は、光源と、光源が出射した光を前記被検体の表面に照射する光学系と、被検体の表面からの反射光を受光する光検出器４２とを備える。

具体的には、光源は、局所的に注入電流と発信波長とが線形に変化する動作区間を有する半導体レーザ３１と、半導体レーザ３１に供給する電流を変調する電流変調器３０とで構成される。光学系は、半導体レーザ３１を出射したレーザ光をコリメートするコリメートレンズ３２と、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタ３３と、偏光ビームスプリッタ３３を透過した直線偏光の光を円偏光に変換する１／４波長板３４と、光束径を拡大するためのレンズ３５および３６と、レンズアレイ３７と、被検体１１とレンズアレイ３７の距離を一定に保つためのスペーサ３８と、偏光ビームスプリッタ３３で反射された光を反射するミラー３９および４０と、ハーフミラー４１とで構成されている。光検出器４２は、本発明における受光素子に相当し、複数の光電変換器が２次元に配列され、被検体の表面からの反射光を受光する。また、光プローブ１３は、被検体１１上に、被検体１１表面の変位を伝える反射体４３が配置されている。

ここで、反射体４３は、本発明における反射体に相当し、被検体１１上に被検体１１に密着して配置され、被検体１１内部の組織で反射した超音波による被検体１１の表面の振動に応じて、被検体１１上に照射された光を反射する。この構成により、光源からの光は反射体に照射され、光源からの光が直接被検体１１に照射されないので、被検体１１の安全が確保できる。また、光源からの光は、反射体により反射されるので、照射した光の減衰が抑制でき、十分な光量の確保できる。

半導体レーザ３１は、電流変調器３０を用いて注入電流に鋸歯状の電流を重畳することにより、出射光の光周波数が鋸歯状に変調されたレーザ光４４が出射するように構成されている。なお、以下では、光の波長の変調周波数を光周波数と記載し、強度（振幅）の変調と区別記載する。ここで、半導体レーザ３１により出射されるレーザ光４４は、偏光ビームスプリッタ３３に対してＰ偏光成分およびＳ偏光成分を持つように構成され、偏光ビームスプリッタ３３で一部が透過、一部が反射して、透過光４５ａおよび参照光４６に分離される。

スペーサ３８は、レンズアレイ３７の焦点距離とほぼ等しい長さで構成され、レンズアレイ３７から出射した光が反射体４３上に集光し、受信スポット１３１を形成するように構成されている。

図３は、本発明の実施の形態１における光検出器４２で検出される参照光と検出光との信号波形を説明するための図である。ここで、図３において、縦軸は光周波数、横軸は時間を示している。

図３に示すように、参照光の信号波形５１と検出光の信号波形５２とは時間△ｔだけずれた波形となる。これは、参照光と検出光とが偏光ビームスプリッタ３３で分離された後、光検出器４２に到達するまでの間に通過する経路に光路差があるためである。ここで、偏光ビームスプリッタ３３と被検体１１表面との距離をＬ／２、光速をｃとすると、光路差はＬであるので、△ｔ＝Ｌ／ｃだけ信号波形がずれることとなる。このとき、光検出器４２で受光される参照光と検出光との光周波数には僅かに差が生じるため、光検出器４２では、この差周波（以後、ビート周波数）ｆｂ＝△ν・ｆｍ・△ｔのビート信号が検出される。例えば、レーザ光４４の鋸歯状波の繰り返し周波数ｆｍ＝１０ＭＨｚ、光周波数の変動幅△ν＝１５ＧＨｚ、参照光と検出光の光路差Ｌ＝４０ｍｍ、とした場合、ビート周波数ｆｂは２０ＭＨｚとなる。

被検体１１の表面が超音波エコー２８の伝搬により振動している場合は、被検体１１表面で反射する検出光はドップラーシフトにより光周波数がわずかにずれるので、光検出器４２で検出されるビート信号も同様にドップラーシフトを受ける。このため、光検出器４２で検出される信号は、ビート信号を中心周波数とするＦＭ信号となり、このＦＭ信号を復調することにより、被検体１１の内部で反射してきた超音波エコー２８による振動を検出することができる。

ここで、例えば、超音波エコー２８による被検体１１表面の変動振幅を０．５ｎｍ、超音波エコー２８の周波数を５ＭＨｚとすると、被検体１１表面の変動速度ｖは最大０．０１５７ｍ／ｓ、である。このとき、光源の波長λ＝６８３ｎｍ、とすると、ドップラーシフトの周波数ｆｂは、ｆｂ＝４πｖ／λ＝２８９ｋＨｚとなる。したがって、ビート周波数が２０ＭＨｚの場合、光検出器４２で検出される信号の周波数は１９．７１〜２０．２９ＭＨｚの間でＦＭ変調されたものとなる。このことについて図を用いて説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施の形態１における光検出器４２の出力波形を説明するための図である。図４Ａはドップラーシフトが無い場合を示しており、図４Ｂはドップラーシフトがある場合を示している。

被検体１１内部に超音波が送信されておらず被検体１１の表面に振動がない場合は、図４Ａに示すような、参照光と検出光との光路差Ｌに応じたビート周波数の搬送波が検出される。一方、被検体１１内部に超音波が送信され被検体１１の表面が振動している場合は、図４Ｂに示すように搬送波がＦＭ変調されるので、この信号を復調することにより、超音波エコー２８による被検体表面の振動（以後、エコー信号）の検出を行うことができる。

次に、上記のように構成された超音波検査装置１０の動作について図１Ａおよび図１Ｂを用いて具体的に説明する。

図１Ａにおいて、まず、制御部１９は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送信部１８を制御する。送信部１８は、超音波プローブ１２が送信する超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行った駆動パルスを、超音波プローブ１２の複数の振動子それぞれに供給する。

超音波プローブ１２は、送信部１８から送られた駆動パルスに従い、各振動子から超音波２６を送信して所定の波面を形成する。なお、この超音波２６はこの波面に従い所定の方向に向かって進行する。そして、超音波プローブ１２から送信された超音波２６は、被検体１１内部の音響インピーダンスの異なる組織の界面で反射され、超音波エコー２８となって被検体１１の表面に伝搬し、反射体４３に超音波による振動を伝達する。反射体４３に伝わった超音波エコー２８は、光プローブ１３の複数の受信ポイントである振動子１２１でその振動変位が検出され、エコー信号として受信される。

ここで、このときのエコー信号検出動作を、図を用いて詳しく説明する。まず、図２および図３に示すように、電流変調器３０で注入電流を変調することにより半導体レーザ３１から光周波数が変調されたレーザ光４４が出射される。このレーザ光４４は、コリメートレンズ３２で平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ３３に入射し、Ｐ偏光成分の検出光（透過光）４５とＳ偏光成分の参照光（反射光）４６とに分離される。検査光である検出光４５は、１／４波長板３４で円偏光に変換され、レンズ３５および３６で光束が拡大される。光束が拡大された円偏向の検出光４５は、レンズアレイ３７を透過して反射体４３上に複数のスポットを形成する。一方、参照光４６はミラー３９および４０によりハーフミラー４１に導かれる。なお、この偏光ビームスプリッタ３３により、検出光（透過光）４５と参照光（反射光）とに分離することにより、被検体１１の近くで参照光と検出光とが分離できるため、振動（体動）ノイズを低減できるという効果を奏する。

このとき、被検体１１の表面に超音波エコー２８による振動が伝わると、反射体４３で反射している検出光４５は、ドップラーシフトにより光周波数が僅かにずれる。そして、光周波数が僅かにずれた検出光４５は、再びレンズ３６および３５を透過して１／４波長板３４に入射し、Ｓ偏光の直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ３３に入射し、偏光ビームスプリッタ３３で反射されてハーフミラー４１に入射する。その結果、ハーフミラー４１を透過した検出光４５と、ハーフミラー４１で反射した参照光４６とが合波されて光検出器４２に入射する。光検出器４２は、この合波を受光することにより、ビート信号等の信号を検出する。

このようにして検出された信号は、参照光と検出光との光路差に応じたビート周波数を中心周波数としてＦＭ変調された信号であり、受信部１４でＦＭ変調を復調することにより超音波エコー２８の検出信号が得られる。

再び図１Ａに戻り、説明を続ける。受信部１４で復調され、さらに増幅された複数のエコー信号は、デジタル信号に変換され、記憶部１５ａに記憶される。ここで記憶部１５ａに記憶されたエコー信号に基づいて、演算処理部１５ｂで整相加算すなわち超音波２６の送信経路（以後、音線）に沿った領域のビームフォーミング処理が行われ、得られた音線上のデータが画像メモリ１５ｃに記憶される。

以上の動作は超音波プローブ１２から送信される超音波２６の音線を被検体内で走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて画像メモリ１５ｃに保存される。画像メモリ１５ｃに保存された３次元データは、画像処理部１６で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１７で画像が表示される。

次に、以上のように構成された超音波検査装置１０の分解能について説明する。ここで、方位分解能は、方位方向に配置された２点の反射点を考えた場合、２点からのエコー信号の位相の違いが区別できる最小の距離と考えることができる。この方位分解能の条件を、図を用いて説明する。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施の形態１における超音波検査装置１０の分解能を説明するための図である。図５Ａは方位分解能の説明図であり、図５Ｂは図５ＡのＢ部の拡大図である。図５Ｂにおいて、ｒａはＡＡ’の距離、θは点ＡおよびＡ’から受信スポット１３１の両端Ｐ、Ｑを見る仰角を示している。ここで、ｒａに比べ反射点ＡおよびＡ’と振動子１２１との距離は十分大きいとすると、ＡおよびＡ’の仰角θは同じと仮定できる。

このとき、Ｐ点とＱ点が対称の位置にあるとすれば、ＡＰ−Ａ’Ｐ＝Ａ’Ｑ−ＡＱ＝ｒａ・ｓｉｎθと近似できる。エコー信号の位相の違いが位相差πで検出できるとすると、分解能 ｒａ＝λ／（２・ｓｉｎθ）となる。ここでλは超音波の波長である。

このことから、方位分解能は波長λに比例し、ｓｉｎθに反比例するのがわかる。しかし、波長λを下げる、すなわち周波数を上げると方位分解能は向上するが、被検体内での減衰が大きくなるという課題がある。そこで、本実施の形態では、上述したように、光検出を用いることにより光プローブの受信スポット１３１の開口を広げθを大きくすることができる。このようにして、本実施の形態によれば、従来の構成と比べて良好な方位分解能を実現できるという効果を奏する。

また、受信開口を広げて分解能を向上させているので、送信する超音波ビームを比較的に幅広くすることができ、走査ピッチを広げられる。そのため、超音波の送受信回数を減らすことができる。これにより、撮像時間の短縮が可能となる。

以上に説明したように本実施の形態１の超音波検査装置１０は、超音波を送信する超音波プローブ１２の開口よりも、超音波を受信する光プローブ１３の開口を大きくしたことにより、分解能を大幅に改善することができるという効果を奏する。また、送信する超音波ビームの幅を広げるとともに、走査ピッチも広げられるので撮像時間を短縮することができるという効果を奏する。

また、超音波エコーを光で検出する構成としたことにより、多数の受信スポットを２次元的に配列する構成が容易となっている。

なお、本実施の形態では、被検体表面の振動を検出するためにヘテロダイン干渉光学系を応用しており、光源から出射するレーザ光の光周波数を鋸歯状に変調することで、参照光と検出光の光路差に依存したビート信号が検出されるように構成している。しかし、参照光と検出光とをそれぞれ分岐した後で、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：光変調素子）等の一般的な構成を用いて、参照光と検出光の少なくとも一方の光周波数をずらすことによりビート信号を発生させるように構成してもよい。

また、本実施の形態では、超音波プローブ１２は超音波の送信のみを行うとしているが、それに限らない。超音波プローブ１２は、送信部１８から送られた駆動パルスに従うだけでなく、超音波プローブ１２が受信した信号も利用して演算することにより、各振動子から送信する超音波２６のＳ／Ｎの改善を図るとしてもよい。

また、上記では、光プローブ１３として被検体１１表面の超音波振動をヘテロダイン干渉光学系で検出する構成を例に挙げて説明した。上記では、ヘテロダイン干渉光学系を検査プローブに配置すること場合の例について説明したがそれに限らない。つまり、例えば、この光学系を必ずしも検査プローブに配置する必要はなく、本体の装置側に光学系を配置し、光ファイバ等で検出光を送受信するように構成するとしてもよい。以下、この場合について説明する。

図６は、本発明の実施の形態１における光プローブの具体的構成の変形例を示す図である。すなわち、図６に示す光プローブ１３ａは、図２に示したヘテロダイン干渉光学系を備える光プローブ１３の変形例である。図６において、図２と異なるのは、光ファイバ束６１の構成のみである。なお、図示していないが、光ファイバ束６１の被検体１１側の端部には、屈折率分布型のＧＲＩＮレンズが配置されており、反射体４３上に集光するように構成されている。

このように構成すると、ヘテロダイン干渉光学系を、プローブ側でなく診断装置側に配置できるため、検査プローブを小型化することができるという効果を奏する。また、診断装置が備えるプローブとして光プローブ１３を複数設けとしても、光ファイバ束６１を用いて、各位置からの検出光を一カ所にまとめることにより、一つのヘテロダイン干渉光学系で複数の場所の信号検出をすることができる。それにより、診断装置のサイズおよび診断装置の製造コストを低減できるというさらなる効果も奏する。

また、上記では、被検体上の微小変位、振動を検出する光学系として、ヘテロダイン干渉光学系を用いる例を挙げて説明したが、それに限らない。例えば、ファブリー・ペロー共振器構造を用いた構成またはその他の干渉光学系を用いるとしてもよい。また、超音波の伝搬により生じる微小な歪みにより光学特性が変化するように反射体４３を構成し、この光学特性の変化を光検出するように構成するとしてもよい。いずれの場合も、超音波を光で検出することにより、電気配線を減らすことができるので、受信スポット１３１を多点化し易いという効果を奏する。

また、例えば、光プローブ１３は、被検体１１内部の組織の超音波振動を検出する構成としてもよい。この構成例について以下説明する。

図７は、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の検査用プローブの他の具体的構成を示す図である。

図７において、光プローブ１３ｂは、ブロードバンド光を被検体１１の内部に送信するように構成された送信ファイバ６４と、被検体内部を透過したブロードバンド光を検出する受信ファイバ６５とを有している。また、図示していないが、送信ファイバ６４は複数の波長の光を出射（送信）するブロードバンド光源に接続され、受信ファイバ６５は分光器および受光素子に接続されており、吸光度を検出できるように構成されている。なお、複数波長の光を出射する光源であれば、ブロードバンド光源に限られない。

この構成において、超音波エコー２８が被検体の表面付近に到達すると、その皮下組織で散乱、吸収を起こしている組織の光学特性が変化する。その変化量はその局所的な光学特性を反映しているので、検出光から得られる吸光度の変化から超音波を検出することができる。

ここで、送信ファイバ６４を介して送信する光の大きさ（ベクトルの長さ）より、受信ファイバ６５を介して受信する光の大きさ（ベクトルの長さ）が短く示されている。これは、被検体１１の内部に送信された光は、被検体１１の内部を通過した後に、受信ファイバ６５に達するため、被検体１１の内部で光は減衰されてしまうからである。

このように構成すると、光プローブ１３はファイバのみで構成できるので、超音波検査装置に備える検査プローブを非常に小型化できるという効果を奏する。

なお、被検体１１内部の組織の超音波振動を検出する構成としては、図７に示す超音波検査装置の検査用プローブとは別の構成例も考えられる。例えば、超音波検査装置の検査用プローブにおいて超音波を送信する超音波プローブ１２の振動子１２１に代えて音響波を送信する光源２２１を配置する構成も考えられる。以下、その構成例について説明する。

図８は、本発明の実施の形態１における超音波検査装置の検査用プローブの他の構成を示す図である。図８は、光音響イメージングと呼ばれるＰＡＴ（Ｐｈｏｔｏ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）技術を用いた検査装置の概略構成を示している。この光音響イメージングは、生体（被検体１１）にレーザ光などを照射し、入射した光に基づいて得られる生体内の情報を画像化する光イメージング装置の一つである。

この装置では、光源２２１から発生したパルス光を生体（被検体１１）に照射し、生体内で伝播・拡散したパルス光のエネルギーを吸収した生体組織から発生した音響波を受信スポット１３１で検出する。具体的には、腫瘍などの被検部位とそれ以外の組織との光エネルギーの吸収率の差を利用し、被検部位が照射された光エネルギーを吸収して瞬間的に膨張する際に発生する弾性波を受信することで生体組織から発生した音響波を検出する。そして、この検出信号を解析処理することにより、生体内の光学特性分布、特に、光エネルギー吸収密度分布を得ることができる。

上記構成の装置においても、生体組織で発生した音響波を、光プローブを用いて大開口で検出することができるので、腫瘍などの生体組織を高い分解能で検出することができるという効果を奏する。

次に、本発明の実施の形態１における光プローブ１３のさらに別の具体的構成について説明する。

図９は、本発明の実施の形態１における光プローブの具体的構成の変形例を示す図である。なお、図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図９において、光プローブ１３ｃは、局所的に注入電流と発信波長とが線形に変化する動作区間を有する半導体レーザ３１と、半導体レーザ３１に供給する電流を変調する電流変調器３０と、半導体レーザ３１を出射したレーザ光４４をコリメートするコリメートレンズ３２と、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタ３３と、レンズ３５、３６からなるビームエキスパンダと、例えばワイヤグリッド偏光板で構成され、透過軸方向の偏光を透過、それと直交する偏光成分を反射する偏光反射板５７と、偏光反射板５７を透過した光を被検体１１上に集光して複数の受信スポットを形成するレンズアレイ３７と、被検体１１上に配置された反射体４３と、反射体４３上の各受信スポットに１対１に対応する複数の受光領域を有する光検出器４２を備えて構成されている。

半導体レーザ３１は、電流変調器３０を用いて注入電流に鋸歯状の電流を重畳することにより、光周波数が変調されたレーザ光４４が出射するように構成されている。

偏光反射板５７は、透過軸が偏光ビームスプリッタ３３におけるＳ偏光に対して略４５度傾くように構成され、偏光反射板５７に入射した光の一部は反射、一部は透過するように構成されている。

レンズアレイ３７は、複数の受信スポットを形成するように構成されているが、この受信スポットは所定方向に１例に配列される構成としても、２次元のマトリックス状に配置される構成としてもよい。

また、反射体４３上の受信スポットで反射した検出光は、レンズアレイ３７に再入射する際、往路とは異なるレンズに入射すると、光検出器４２上の対応する受光領域に入射しない。このような光は迷光となるため、アパーチャ４０で遮光するように構成されている。

従来のヘテロダイン干渉光学系の構成は、計測器の内部で参照光を分離する構成であるため、計測器と測定物の間の振動によるノイズが、測定物単体の変位情報に加算されてＳ／Ｎを悪化させる課題がある。それに対して、図９に示すヘテロダイン干渉光学系を備える光プローブ１３ｃの構成は、反射体４３と、例えばワイヤグリッド偏光板の偏光反射板５７との相対的な変位や振動を検出する構成である。そのため、周囲環境の振動によるノイズを低減することができる。

以下では、図２または図９に示したヘテロダイン干渉光学系を備える光プローブとは別の具体的構成について説明する。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の実施の形態１における光プローブの他の具体的構成を示す図である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す光プローブ１３ｄは、薄型化したヘテロダイン干渉光学系を備えている。ここで、図１０Ａは斜視図を示しており、図１０Ｂは主要部の断面図を示している。なお、図２と同様の要素には同一の符号を付ししており、詳細な説明を省略する。

図１０Ａにおいて、光プローブ１３ｄは、本発明における光学系として、半導体レーザ３１と、電流変調器３０と、コリメートレンズ３２と、レーザ光４４を線状の平行光に変換する導光棒７１と、面状検出部７２とを備える。

導光棒７１は、光が出射する側面に対して略４５度傾斜した傾斜面を有する偏向溝が複数形成された構造で構成され、導光棒７１に入射した光を全反射により略９０度偏向する。

面状検出部７２は、例えば、図１０Ｂに示す構造で構成される。具体的には、面状検出部７２は、導光棒７１から出射したレーザ光４４を側面から入射され、主面７３ａから出射する導光板７３と、導光板７３の主面７３ａに隣接して配置された偏光反射板５７と、レンズアレイ３７と、導光板７３を挟んで偏光反射板５７の反対側に配置された偏光板７４と、偏光板７４を透過した光のうち、略垂直に入射した光のみを透過させる視野角制御シート７５と、被検体１１上の受光スポットに対応した受光領域を有する光検出器４２とを備える。

なお、導光板７３における主面７３ａに対向する面である対向面７３ｂには、主面７３ａに対して略４５度傾斜した傾斜面からなる複数の偏向面７３ｃが形成されている。導光板７３は、主面７３ａに対して略平行に入射された光を全反射により主面７３ａに垂直の方向に偏向し、主面７３ａから略垂直に出射するように構成されている。

偏光板７４の透過軸は、偏光反射板５７の透過軸と略４５度を成すように構成されている。

視野角制御シート７５は、光検出器４２の各受光領域に、対応する受信スポット以外からの迷光が混入するのを防ぐ目的で配置されている。

続いて、以上のように構成された光プローブ１３ｄの動作に説明する。

まず、光プローブ１３ｄにおいて、光周波数が変調されたレーザ光４４は、コリメートレンズ３２でコリメートされ、導光棒７１で線状の平行光に変換され、面状検出部７２に入射する。面状検出部７２の導光板７３に入射したレーザ光４４は、偏向面７３ｃで偏向され、導光板７３の主面７３ａから略垂直に出射し、偏光反射板５７で参照光と検出光とに分離される。

次に、レンズアレイ３７により被検体１１表面に形成された複数の受信スポットで反射した検出光と、偏光反射板５７で反射した参照光とは、導光板７３を透過して偏光板７４に入射する。ここで、参照光と検出光とは互いに偏光が直交しているが、どちらも偏光板７４の透過軸に対して偏光が略４５度回転している。そのため、それぞれ同じ偏光成分の光が偏光板７４を透過し、略垂直に透過した光のみ視野角制御シート７５を透過して光検出器４２上で干渉し、光検出器４２の各受光領域で検出される。

以上のように、検出された信号のＦＭ変調を復調することで、各受信スポットでの振動を検出することができる。したがって、小型、薄型かつ、高解像度の光プローブの構成を実現することができる。それにより、解像度の高い超音波検査装置が実現できるという効果を奏する。

（実施の形態２）
実施の形態１では、光プローブがヘテロダイン光学系により構成される場合の例を説明したが、実施の形態２では、光プローブがファブリー・ペロー共振器構造により構成される場合の例について説明する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の実施の形態２における光プローブおよび受信部の構成を示す図である。図１１Ａに示す構成は、光プローブ２１３内に光源２２１および受光素子を配置した構成を示しており、図１１Ｂは、超音波検査装置（超音波診断装置）の装置本体部内すなわち受信部２１４に光源２２１、および受光素子である光検出器２２５が配置された構成を示している。ここで、図１１Ｂは、図１１Ａに示す構成の具体的構成例に相当する。すなわち、図１１Ａの構成および動作は、光ファイバを用いて照明光、および検出光を伝送すること以外は図１１Ｂと同じであるので、以下、図１１Ｂを用いて説明する。

図１１Ｂに示すように、光プローブ２１３および受信部２１４は、光ファイバ２２０と、数万本の光ファイバが配列され、画像を伝送可能なイメージファイバ２３０とで繋がれている。

受信部２１４は、波長幅が狭く（例えば５０ｐｍ）、１０００ｎｍ付近の任意波長で波長ロック動作が可能なレーザ光源である光源２２１と、光源２２１から出射したレーザ光２２２を集光する集光レンズ２２３とを備え、レーザ光２２２を光ファイバ２２０で送光する。また、受信部２１４は、イメージファイバ２３０で送られる画像を拡大する拡大レンズ２２４と、拡大された画像を受光するＣＣＤ、ＭＯＳ型センサ、又は、複数のＰＤ（フォトダイオード）で構成された２次元アレイの光検出器２２５とを備えている。

光プローブ２１３は、光ファイバ２２０で送光されたレーザ光２２２を平行光に変換するコリメートレンズ２３１と、レーザ光２２２を往路と復路とで分岐するハーフミラー２３２と、ビームエキスパンダ２３３と、被検体１１表面に配置された超音波検出素子２４０と、超音波検出素子２４０で反射されたレーザ光２２２をイメージファイバ２３０に入射させる結像レンズ２３４とを備える。

超音波検出素子２４０は、例えば、図１２Ａに示すような多層膜ミラーで共振器を構成したファブリー・ペロー共振器で構成されている。ここで、図１２Ａは、超音波検出素子２４０の概略構成を示す模式図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示す超音波検出素子２４０の分光特性を示す図である。ここで、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）を示している。

超音波検出素子２４０は、本発明の反射体に相当し、複数の領域を有し、被検体１１に密着して形成され、被検体１１の表面の振動を示す超音波を複数の検出領域ごとに収束させる音響整合材２４４と、音響整合材２４４の被検体１１と密着しない方の面に形成され、被検体１１上に照射された光を反射する第１の反射素子とを備える。具体的には、超音波検出素子２４０は、図１２Ａに示すように、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂと、空気層２４２と、透明な基板２４３と、音響整合材２４４とが積層されて構成されている。ここで、音響整合材２４４は、本発明における超音波収束部に相当し、被検体１１の表面の振動を示す超音波を、複数の検出領域ごとに収束させて第１の反射素子に伝搬する。また、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂと、空気層２４２と、透明な基板２４３とは、本発明における第１の反射素子に相当する。第１の反射素子は、伝搬された当該超音波を増幅し、増幅した当該超音波に応じて変化される反射率で、被検体１１上に照射された光を反射する。

多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂは、本発明の第１多層膜および第２多層膜に対応し、異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成される。具体的には、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂは、低屈折率材料（例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２））で構成された低屈折率層と、高屈折率材料（例えば二酸化チタン（ＴｉＯ_２））で構成された高屈折率層とを交互に積層して形成される。ここで、多層膜ミラー２４１ｂには音響整合材２４４の歪みを伝達しやすいようにスリット２４６が設けられている。

スペーサ２４５は、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂの間に形成（配置）され、スリット２４６により分割された多層膜ミラー２４１ｂの一端を固定する。スペーサ２４５は、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂの間に空間を構成する。すなわち、スペーサ２４５は、多層膜ミラー２４１ａと多層膜ミラー２４１ｂの間の空気層２４２の間隔を一定にする。

スリット２４６は、多層膜ミラー２４１ｂを複数の領域（以後、検出領域）に分割するように形成されており、スペーサ２４５はこの検出領域の端に配置されている。このように構成することにより、検出領域がスペーサ２４５を支点とした片持ち状態となり、スペーサ２４５が配置された側と反対側に変位を生じさせ易くしている。ここで、片持ち状態とは、一方だけで荷重の全てを支え、他方が完全に自由になっている状態をいう。

また、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂを構成する各層の厚みは、それぞれ物理膜厚に屈折率を乗じて得られる光学膜厚が設定波長（例えば１０００ｎｍ）の１／４に略等しくなるように構成されている。一方、空気層２４２は、初期状態で設定波長の１／２に略等しくなるように構成されるとともに、音響整合材２４４が歪むと、間隔が変化するように構成されている。

このように構成されることにより、超音波検出素子２４０は、音響整合材２４４により収束された超音波を、分割された多層膜ミラー２４１ｂの固定されていない他端付近に伝搬することにより、多層膜ミラー２４１ｂが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅する。

換言すると、超音波検出素子２４０は、異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成され、略等しい反射特性を有する多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂと、前記光源からの照明光が入射される基板と、を備え、多層膜ミラー２４１ａは、共振器構造となるように多層膜ミラー２４１ｂと対向配置される。超音波検出素子２４０は、音響整合材２４４により収束された前記超音波が伝搬することにより、共振器構造の共振器長を変動させて、被検体１１上に照射された光を反射する反射光量を変動させる。

このように構成された超音波検出素子２４０の分光特性は、図１２Ｂに示すように特定の波長に対して反射率が極めて低くなる。図１２Ｂは、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂがそれぞれ、ＳｉＯ_２を４層、ＴｉＯ_２を５層、積層して構成した場合の反射率の計算結果である。分光特性２４７ａおよび分光特性２４７ｂはそれぞれ、空気層２４２の間隔が５００．０ｎｍおよび５００．５ｎｍの場合の特性を示している。例えば、波線２４８で示した波長の光を超音波検出素子２４０に照射した場合、空気層２４２の間隔が５００ｎｍから０．５ｎｍ変化すると、反射率が１０％の状態から３０％まで変化するのがわかる。

なお、超音波検出素子２４０は、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂの層数を増やすことにより、空気層２４２の厚み変化量に対する反射率の変化を大きくすることができる。このように構成することにより微小変位の検出感度をさらに高めることができる。

次に、このように構成された本実施の形態の超音波検査装置１０の動作について説明する。

実施の形態１と同様に、まず、超音波プローブ１２から所定領域にフォーカスする超音波が被検体１１に向けて送信される。このとき、制御部１９は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送信部１８を制御する。送信部１８は、超音波プローブ１２が送信する超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行った駆動パルスを、超音波プローブ１２の複数の振動子それぞれに供給する。

超音波プローブ１２の振動子から送信された超音波は、被検体１１内部の音響インピーダンスの異なる組織の界面で反射され、超音波エコー２８となって被検体１１の表面に到達し、光プローブ２１３に超音波エコー２８による振動を伝達する。光プローブ２１３は超音波エコーの振動を反射率の変動に変換し、受信部２１４から送られる光を反射して反射光（画像）を受信部２１４に送り、受信部２１４は、光プローブ２１３から送られる反射光の反射光量分布の変動からエコー信号を検出する。

このときのエコー信号検出動作を、図１１Ａ〜図１２Ｂを用いて詳しく説明する。まず、検査を行う前に受信部２１４の光源２２１の出射波長の調整が行われる。この時、出射波長を変えながら超音波検出素子２４０からの反射光量をモニタする。そして、例えば、超音波検出素子２４０での反射率が１０％程度となるように出射波長を選定し、波長を固定する。

次に、エコー信号を検出するために光源２２１からレーザ光２２２が出射される。このとき、レーザ光２２２の出射光量は、超音波プローブ１２から超音波が送信されてからの経過時間に応じて光量が増加するように制御部１９により制御される。

出射光量が調整されて出射したレーザ光２２２は、集光レンズ２２３、および光ファイバ２２０を経由して光プローブ２１３に供給され、コリメートレンズ２３１、および、ビームエキスパンダ２３３を透過して超音波検出素子２４０を照明する。

このとき、図１２Ａに示すように、音響整合材２４４に被検体１１からの超音波エコー２４９が伝わると、その振動により音響整合材２４４が歪み、同時に多層膜ミラー２４１ｂが歪むことにより、空気層２４２の間隔が変動する。ここで、空気層２４２の間隔が０．５ｎｍ程度変動したとすると、図１２Ｂに示したように反射率は１０％から３０％まで変化するので、超音波エコー２４９を受信した瞬間に、受信した場所では局所的に反射光量が３倍になっている。

なお、超音波送信後の時間経過に応じて超音波エコー２４９の信号振幅は小さくなるため、それに伴い超音波検出素子２４０の反射率変化も小さくなる。そこで、本実施の形態では、時間経過に応じてレーザの光源２２１の出射光量が増加するように制御を行う。具体的には、制御部１９は、超音波プローブ１２が超音波を送信するタイミングを制御し、超音波プローブ１２が超音波を送信した後の経過時間に応じて、上記光源から出射する光の光量を制御する。それにより、超音波エコー４９の振幅が低下した場合でも反射光量の変動を検出することができるという効果を奏する。

また、レーザ光源である光源２２１の発光量制御に伴い、超音波エコー２４９の検出前の反射光量が高くなりすぎる場合は、時間経過とともにレーザ光２２２の波長を反射率が低下する方向にシフトさせてもよい。

または、レーザ光２２２の波長は、検査の最初から超音波検出素子２４０の反射率が最低となる波長に固定しておいてもよい。つまり、光プローブ１３は、光源（半導体レーザ３１と電流変調器３０）が出射する光の波長を、超音波検出素子２４０での反射率が最小となるように調整した後に、被検体１１内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出するとすればよい。この構成により、例えば、反射率をゼロとして調整することで、超音波エコー４９の振幅の変動が微小でも、変動を大きく捉えるつまり反射率の変化率を向上させることができるので、受信感度を向上することができるという効果を奏する。

ところで、超音波検出素子２４０の分光特性は、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂの製造時の膜厚誤差や周囲環境の変化でばらつく可能性がある。しかし、本実施の形態では、事前に分光特性を測定し、レーザ光源である光源２２１の波長を適切に設定することで、分光特性のばらつきによる検出感度の変化を抑えることができる。すなわち、本実施の形態によれば、製造し易く感度の高い超音波検出素子２４０を実現できる。

図１１Ｂにおいて、超音波検出素子２４０が超音波エコー２８（図１２では超音波エコー２４９）を受信すると、超音波検出素子２４０上に超音波エコーの波紋（強度分布）が現れる。この波紋の画像は、ビームエキスパンダ２３３、ハーフミラー２３２、結像レンズ２３４、イメージファイバ２３０を経由して受信部２１４に送られ、拡大レンズ２２４で拡大され光検出器２２５で２次元の強度分布として受光される。そして、光検出器２２５で検出された検出信号は必要に応じてデータ量が調整され、電気信号に変換されてエコー信号として信号処理部１５へ送られる。

なお、イメージファイバ２３０は、数万画素の画像を送信可能であるが、光検出器２２５の画素数はそれよりも少なくてもよい。後段の信号処理の負荷などを勘案して適切な画素数に設定するのが望ましい。例えば、光検出器２２５の画素数は数百から千程度としてもよい。このように構成しても、超音波エコー２８を検出するのが圧電素子である場合と比べて、広範囲かつ多点のエコー信号の検出が可能となる。

また、光検出器２２５の画素の配置はマトリックスに限らない。不規則に散らした（スパース化）配置や、各画素の形状やサイズが異なる構成としてもよい。

また、検出された広範囲かつ多量のエコー信号は、実施の形態１と同様に、記憶部１５ａに記憶される。そして、ビームフォーミング処理が演算処理部１５ｂで行われ、３次元データが画像メモリ１５ｃに記憶される。このとき、広範囲かつ多量のエコー信号を処理することによりビームフォーミング処理の分解能が向上するとともに、Ｓ／Ｎの高い３次元データが得られる。

以上の動作を超音波の送信方向を変えながら行うことにより、被検体１１内が高速に３次元走査され、検査領域全体の情報が演算されて画像メモリ１５ｃに保存される。保存された検査領域全体の情報すなわち３次元データは、画像処理部１６で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１７に画像が表示される。このような動作により、広範囲の超音波画像が高速かつ高解像度で得ることができる。

次に、図１３Ａ〜図１３Ｄを用いて、超音波検出素子２４０の製造方法について説明する。図１３Ａ〜図１３Ｄは、超音波検出素子２４０の製造方法を説明するための図であり、各工程の状態を模式的に示している。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂと同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する。

まず、基板２４３上に高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層した多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂを形成し（図１３Ａ）、音響整合材２４４上に高屈折率材料と低屈折率材料とを交互に積層した多層膜ミラー２４１ｂを形成する（図１３Ｂ）。ここで、多層膜ミラー２４１ｂは、スリット２４６が形成されるようにマスキングして積層される。多層膜ミラー２４１ａと多層膜ミラー２４１ｂとは同じ特性であることが望ましく、各層の膜厚ばらつき等の条件を合わせるため、例えば同じスパッタ装置で同時に形成されるのが望ましい。

次に、基板２４３上に形成された多層膜ミラー２４１ａの一部にスペーサ２４５を形成する（図１３Ｃ）。なお、このスペーサ２４５はスパッタ等でマスキングして積層することにより形成できる。スパッタで形成する場合には、スペーサ２４５の厚みを３０ｎｍ程度に薄型化すると、検出感度は若干低下するが、スループットを大きく向上させることができる。

最後に、上記のようにスペーサ２４５および多層膜ミラー２４１ａが形成された基板２４３と、多層膜ミラー２４１ｂが形成された音響整合材２４４とを、多層膜ミラー２４１ａと２４１ｂとが対面するように配置する。次いで、スペーサ２４５とスリット２４６の位置が僅かにずれるように位置合わせを行って固定する（図１３Ｄ）。

以上のようなプロセスで製造すると、大面積のものが比較的容易に製造可能である。したがって、大面積で製造した後に最後に裁断する工法で超音波検出素子２４０を製造することにより高い量産性が得られるという効果を奏する。

なお、以上のプロセス例は一例であり、それに限られない。他の製造方法を用いても本実施の形態の効果が変わらないことは言うまでもない。

以上に説明したように本実施の形態の超音波検査装置１０では、実施の形態１と同様に超音波エコーの検出を光で行えるので、受信プローブに電気的配線が不要となり、超音波エコーの受信点を多点化できると共に広い領域に配置できる。これによりＳ／Ｎが向上するとともに、ビームフォーミングによる分解能を向上させることができるという効果を奏する。

また、超音波エコー２８を検出するためのレーザ光２２２の波長、光量を時間経過に応じて適切に設定することにより、大きく減衰してしまった超音波エコー２８の検出も可能となる。加えて、超音波検出素子２４０の膜厚誤差や周囲環境の変化による感度ばらつきを抑えることができる。また、超音波検出素子２４０は、共振器構造が片側１０層程度の多層膜ミラーで構成された簡単な構造であり、さらに、大部分をスパッタで形成可能なため、製造プロセスが少なく、高いスループットが実現できる。これにより、低コストで量産が可能であり、また、受信プローブの小型化にも有利であるという効果を奏する。

（実施の形態３）
実施の形態２では、ファブリー・ペロー共振器構造により構成され、音響整合材を有する超音波検出素子を備える光プローブが、超音波エコーによる音響整合材の歪みを利用して超音波エコーを検出することについて説明した。実施の形態３では、光プローブがファブリー・ペロー共振器構造により構成されるものの、超音波検出素子が、音響整合材として、音響レンズや音響ミラーを備える場合の例について説明する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の変形例を示す図である。なお、図１２Ａと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１４Ａは音響レンズ３５１を用いた場合の構成例を示す図であり、図１４Ｂは音響ミラー３６１を用いた場合の構成例を示す図である。図１４Ａおよび図１４Ｂにおいて、図１２Ａと異なるのは、音響レンズ３５１および音響ミラー３６１のみであり、音響レンズ３５１および音響ミラー３６１により超音波エコー２４９の振幅を高めてから検出する。

図１４Ａに示す超音波検出素子３４０は、多層膜ミラー２４１ｂがスリット２４６により複数の検出領域に分割されている。そして、この検出領域ごとに、音響整合材３４４の内部に音響レンズ３５１が配置された構成となっている。

このように構成された超音波検出素子３４０に超音波エコー３４９が入射すると、音響レンズ３５１により検出領域ごとに超音波エコー３４９が収束されて多層膜ミラー２４１ｂに向かう。このとき、多層膜ミラー２４１ｂの底面では、超音波エコー３４９の振幅が増大されるので、空気層２４２の間隔の変動幅が増大され、超音波エコー３４９の検出感度を向上させることができる。

また、図１４Ｂに示す超音波検出素子３４０ａは、音響レンズ３５１の代わりに音響ミラー３６１を用いて構成されている。このように構成しても、超音波エコー３４９を音響ミラー３６１で反射させることにより、多層膜ミラー２４１ｂの底面に向けて収束させることができ、超音波エコー３４９の振幅を増大させることができる。したがって、図１４Ａに示す超音波検出素子３４０と同様に、検出感度を向上させることができる。

なお、図１４Ａに示すように超音波検出素子に音響レンズ３５１を用いる場合は、その界面で僅かに超音波エコー３４９の反射が生じてしまう。一方、図１４Ｂに示すように超音波検出素子に音響ミラー３６１を用いる場合は、そのようなエネルギーの損失はないので、より効果的に感度を向上させることができる。

また、図１４Ｂに示す超音波検出素子３４０ａの構造は、さらに別の変形が考えられる。それを次に説明する。

図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明の実施の形態３における超音波検出素子の構成の別の変形例を示す図である。なお、図１２Ａと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１５Ａはくさび型の空気層を用いた場合の構成例を示す図であり、図１５Ｂは音響整合材表面をくさび型にした場合の構成例を示す図である。

超音波検出素子３４０ｂは、被検体１１の表面の振動を示す超音波の伝搬方向に向かって断面積が小さくなる突起状のテーパ部材と、テーパ部材の周囲に配置された、テーパ部材と音響インピーダンスの異なるミラー材とを備え、テーパ部材の内部を伝搬する超音波は、テーパ部材とミラー材との境界面で反射しながら前記第１の反射素子に伝搬する。具体的には、図１５Ａに示す超音波検出素子３４０ｂは、薄いフィルム３６２と無数の突起を有する音響整合材３６４とを、突起を介して張り合わせた構造である。

音響整合材３６４の突起は、本発明のテーパ部材に相当し、フィルム３６２に向かって断面積が徐々に小さくなるように構成される。空気層３６３は、本発明のミラー材に相当し、くさび型に形成されている。

また、多層膜ミラー２４１ｂはフィルム３６２上に形成され、音響整合材３６４の突起に対応するように検出領域が分割されている。

このように構成された超音波検出素子３４０ｂの音響整合材３６４に超音波エコー３４９ｂが入射すると、音響整合材３６４と空気層３６３との境界で超音波エコー３４９ｂが反射される。そのため、検出領域ごとに超音波エコー３４９ｂが収束され、多層膜ミラー２４１ｂの底面において超音波エコー３４９ｂの振幅が増大される。これにより、空気層２４２の間隔の変動幅が増大され、超音波エコー３４９ｂの検出感度を向上させることができる。さらにこの構成では、空気層３６３で反射面を形成することにより、音響整合材３６４がより変形しやすくなっており、高い検出感度が実現できるという効果を奏する。

なお、図１５Ｂに示す超音波検出素子３４０ｃのように、フィルム３６２の表面に配置した音響ミラー３６５で被検体１１を変形させ、被検体１１が突起部１１ａを形成するように構成してもよい。このとき、被検体１１と音響ミラー３６５との間の隙間は、変形して隙間を埋めることの出来る、液体あるいはゲル状の音響整合材で埋めるのが望ましい。

このように構成しても、超音波エコー３４９ｃを収束させて振幅を増大させることができるので検出感度を向上させることができる。さらにこの構成では、フィルム３６２に直接、増幅された超音波エコー３４９ｃを伝搬させるので、損失を抑えることができるという効果を奏する。

なお、本実施の形態では、１つの検出領域に１つのスペーサを配置する構成を例に挙げて説明したが、必ずしも全ての検出領域に１つずつスペーサを配置する必要はない。例えば、スペーサを多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂの間に形成し、スリット２４６により分割された多層膜ミラー２４１ｂの多層膜のうち少なくとも１つおきの多層膜ミラー２４１ｂの一端を固定するとしてもよい。そして、スペーサを配置しない検出領域とスペーサを配置する検出領域とにおいて、スペーサを配置しない検出領域では、各反射領域の中央あるいは重心位置に、超音波を収束させて伝搬させることにより、前記第２多層膜ミラーが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅するが望ましい。このように構成することにより、多層膜ミラー２４１ｂの底面に超音波エコーが伝搬した際に反射領域の傾きが抑えられ、共振器長の変動幅も大きくなるので、検出感度が向上する。

また、本実施の形態の超音波検出素子２４０、３４０、３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃにおいて、共振器媒質を空気層２４２としたが、空気以外の気体、および、液体を用いて構成してもよく、同様の効果が得られる。

また、多層膜ミラー２４１ａおよび多層膜ミラー２４１ｂは、金属ミラー、あるいは、屈折率が反射面内で周期的に変化するように構成されたフォトニック結晶ミラーや入射光の波長以下の微細な格子を用いたサブ波長格子を用いてもよく、同様の効果が得られる。

（変形例１）
本実施の形態では、光プローブがファブリー・ペロー共振器構造により構成される場合について説明してきた。以下、変形例として、光プローブがヘテロダイン干渉系で構成されている場合について説明する。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、本発明の実施の形態３の変形例１における光プローブおよび受信部の構成を示す図である。図１６Ａに示す構成は光プローブ３１３および受信部３１４の概略構成図を示しており、図１６Ｂ示す構成は超音波検出素子３３１の概略構成図を示している。本変形例において、実施の形態３における超音波検査装置の構成と異なるのは、光プローブ３１３および受信部３１４のみであり、その他の部分は同じであるので説明を省略する。また、図１１Ａおよび図１１Ｂと同じ構成要素は、同じ符号を付し、説明を省略する。

本変形例にかかる超音波検査装置１０の光プローブ３１３および受信部３１４は、被検体１１の表面が超音波により変動するのを、光ヘテロダイン法で検出するように構成されている。

図１６Ａにおいて、光プローブ３１３と受信部３１４とは、図１２に示す構成と同様に光ファイバ２２０、および、イメージファイバ２３０で繋がれている。本変形例では、受信部２１４の光源は、半導体レーザ３７１と電流変調器３７２とからなり、電流変調器３７２により半導体レーザ３７１の注入電流に鋸歯状の電流を重畳し、出射光の光周波数を鋸歯状に周波数変調したレーザ光３７３を出射するように構成されている。また、光ファイバ２２０の出射端には、屈折率分布型のＧＲＩＮレンズが配置され、光ファイバ２２０から出射する光をコリメートするように構成されている。

光プローブ３１３は、光ファイバ２２０で送光されたレーザ光３７３を線状の平行光に変換する導光棒３７４と、超音波検出素子３３１とを備える。光プローブ３１３は、超音波検出素子３３１の上面３８０ａに現れる超音波エコーの波紋の画像をイメージファイバ２３０で伝送するように構成されている。

超音波検出素子３３１は、例えば、図１６Ｂに示すような光ヘテロダイン干渉系を有する構造で構成される。具体的には、超音波検出素子３３１は、導光棒３７４から出射したレーザ光３７３を側面から入射させ、一方の主面３８１ａから出射する導光板３８１と、導光板３８１の主面３８１ａに隣接して配置されたワイヤグリッド偏光板３８２と、ワイヤグリッド偏光板３８２を透過した光を反射させる反射板３８３と、導光板３８１を挟んでワイヤグリッド偏光板３８２の反対側に配置された偏光板３８４と、偏光板３８４を透過した光を投影するスクリーン３８５とを備える。

導光棒３７４は、光が出射する側面に対して略４５度傾斜した傾斜面を有する偏向溝が複数形成された構造であり、導光棒３７４に入射した光を全反射により略９０度偏向する。

導光板３８１の対向面３８１ｂには、主面３８１ａに対して略４５度傾斜した傾斜面からなる複数の偏向面３８１ｃが形成されている。導光板３８１は、主面３８１ａに対して略平行に入射した光を全反射により主面３８１ａに向けて偏向し、主面３８１ａから略垂直に出射する。

反射板３８３は、無数の突起を有する音響整合材３６４の突起部の上面に配置され、各突起部が検出領域となるように構成されている。

ワイヤグリッド偏光板３８２と偏光板３８４の透過軸は、略４５度ずらして構成されている。また、ワイヤグリッド偏光板３８２で反射したレーザ光３７３ａの一部と、ワイヤグリッド偏光板３８２を透過した後、反射板３８３で反射したレーザ光３７３ｂの一部とが偏光板３８４を透過するように構成されている。

次に、このように構成された本変形例の超音波検出動作について図１６Ａおよび図１６Ｂを用いて説明する。

まず、半導体レーザ３７１から電流変調器３７２で光周波数が変調されたレーザ光３７３が出射される。このレーザ光３７３は、集光レンズ２２３、および光ファイバ２２０を経由して光プローブ３１３に供給される。供給されたレーザ光３７３は、図示していないＧＲＩＮレンズによりコリメートされて光ファイバ２２０から出射し、導光棒３７４で線状の平行光に変換され、超音波検出素子３８０に入射する。そして、超音波検出素子３３１の導光板３８１に入射したレーザ光３７３は、偏向面３８１ｃで偏向され、導光板３８１の主面３８１ａから略垂直に出射し、ワイヤグリッド偏光板３８２で一部が透過、一部が反射する。

ワイヤグリッド偏光板３８２で反射したレーザ光３７３ａは、導光板３８１を透過して偏光板３８４に入射し、ワイヤグリッド偏光板３８２を透過したレーザ光３７３ｂは、反射板３８３で反射し、再びワイヤグリッド偏光板３８２、導光板３８１を経由して偏光板３８４に入射する。

このとき、音響整合材３６４に被検体１１からの超音波エコー３４９ｄが伝わると、検出領域ごとに、音響整合材３６４の突起部により超音波エコー３４９ｄが収束され、振幅が増幅されて反射板３８３を振動させる。これにより、反射板３８３で反射されるレーザ光３７３ｂはドップラーシフトにより光周波数が僅かにずれる。

偏光板３８４に到達したレーザ光３７３ａとレーザ光３７３ｂとは偏光が直交しているが、偏光板３８４の透過軸は、これらの偏光に対して略４５度となるように構成されている。そのため、どちらのレーザ光も一部は偏光板３８４を透過して合波される。合波されたレーザ光３７３ａおよびレーザ光３７３ｂは同じ偏光となっているのでスクリーン３８５上で干渉光として重ね合わされる。この干渉光の強度分布は、イメージファイバ２３０を経由して受信部３１４に送られ、拡大レンズ２２４で拡大され光検出器２２５で２次元の強度分布として受光される。

ここで、スクリーン３８５上で観測される、ある領域の干渉光の強度は、レーザ光３７３ａとレーザ光３７３ｂとの光路長差に応じたビート信号となり、反射板３８３が振動するとビート信号の周波数ずれとなって現れる。したがって、光検出器２２５で検出された信号からＦＭ変調されたビート信号を復調することにより２次元面内のエコー信号の検出を行うことができる。

なお、レーザ変位計などで用いられる光ヘテロダイン法の構成は、計測器の内部で参照光を分離する構成であるため、計測器と測定物の間の振動によるノイズが、測定物単体の変位情報に加算されてＳ／Ｎを悪化させる課題がある。それに対して、本変形例の構成は、ワイヤグリッド偏光板３８２と反射板３８３との相対的な変位または振動を検出する構成としているので、周囲環境の振動によるノイズを低減することができるという効果を奏する。

以上のように、超音波を検出する構成としても、超音波エコーの検出を光で行えるので、受信プローブに電気的配線が不要となり、超音波エコーの受信点を多点化できると共に広い領域に配置できる。これによりＳ／Ｎが向上するとともに、ビームフォーミングによる分解能を向上させることができる。また、超音波検出素子３３１は、光源の波長幅や、製造ばらつき等に対する精度が緩く、生産性がよい。

なお、本変形例の超音波検出素子２４０、３４０、３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ、３３１は検出に機械的な共振を用いていないので、超音波の周波数に関わらず検出が可能である。そのため、用途に合わせた複数の周波数の超音波プローブ（送信プローブ）と組み合わせて利用することができる。したがって、複数の周波数の異なる送信プローブを用いるユーザに対して、プローブのコストを削減することができる。

（変形例２）
図１６Ｂに示す超音波検出素子３３１では、音響整合材３６４と反射板３８３とを備えることで、超音波エコー３４９ｄの振動の情報を含むビート信号を作成したが、それに限られない。超音波エコーの振動の情報を含むビート信号を作成できれば足りるため、音響整合材３６４と反射板３８３とを備えない別の構成も考えられる。その一例を変形例２として以下に説明する。

図１７は、本発明の実施の形態３の変形例２における超音波検出素子の概略構成を示す図である。なお、図１６Ｂと同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図１７に示す超音波検出素子３３１ａは、上記変形例１における超音波検出素子３３１の構成と比べて、音響整合材３６４と反射板３８３とを備えず、棒体３８６を備えている点のみ構成が異なる。その他の部分は同じであるので説明を省略する。

図１７に示す超音波検出素子３３１ａでは、超音波エコー３４９ｅの振動の情報を含むビート信号を作成できればよいため、棒体３８６で被検体１１を変形させ、被検体１１が突起部１１ｂを形成するように構成する。このとき、被検体１１と棒体３８６との間の隙間は、空気層３８７となっている。ただし、この空気層３８７は、棒体３８６で被検体１１を変形させた際の隙間（空気層）であるので、液体あるいはゲル状の音響整合材で埋められるとしてもよい。

このように構成しても、棒体３８６で変形された被検体１１の突起部１１ｂにより超音波エコー３４９ｅを収束させて振幅を増大させることができるので、検出感度を向上させることができるという効果を奏する。

（実施の形態４）
実施の形態１〜３では、超音波プローブ１２は、複数の振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成され、各振動子はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電素子に、電極を形成して構成されているとして説明したが、それに限らず、別の構成でも構わない。実施の形態４では、実施の形態１〜３における超音波プローブ１２とは別の構成について説明する。

超音波プローブ１２では、複数の振動子を２次元的に配列した振動子アレイで構成するため、多数の振動子を高集積化することが必要であり、振動子を構成する圧電素子の微細加工や、多数の圧電素子への配線が困難等の理由のため、大型化が難しい。また、大型化できたとしても振動子の数が莫大となるため、システムのコストや消費電力が問題となる可能性がある。このような理由から、超音波プローブ１２は、大型化が難しく広範囲の検査を行うことが困難であるという課題がある。

それに対して、振動子を適度に間引いて有効な振動子のみを用いる、いわゆるスパース方式で超音波プローブ１２を構成することが提案されている。しかし、このスパース方式では、スパース化により振動子の数を抑えながら、広範囲な領域をセクタ走査可能であるものの、走査角を大きくしても、浅い領域ではプローブ周辺以外の領域を検査することができない。つまり、スパース方式で超音波プローブ１２を構成することは、例えば心臓検査など、肋骨の隙間から超音波を送信するのには適しているが、乳房や腹部の検査など、浅い領域から深い領域まで幅広く検査する用途には適していない。

そこで、本実施の形態では、高集積化が必要な超音波送信用の振動子の数を削減して製造を容易にするとともに、高速に３次元走査が可能で、かつ、浅い領域から深い領域まで幅広く、広範囲に検査が可能な超音波プローブとそれを備える超音波検査装置について説明する。

本実施の形態における超音波検査装置は、図１に示す超音波検査装置１０と同様であるため、説明を省略する。ただし、超音波プローブの特徴的な構成を説明するため、図１Ａに示す超音波プローブ１２を超音波プローブ１２ａとして説明する。また、説明を簡単にするため、光プローブ１３を従来型の受信プローブ９１３として以下説明する。

超音波プローブ１２ａは、２次元あるいは３次元的に超音波を送信できる振動子群を有する。振動子群１２２は、２次元的に配列された複数の振動子（振動子群）で構成され、各振動子はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミック等からなる圧電素子に、電極を形成して構成されている。この振動子群１２２は、各振動子の電極に送信部１８から送られる遅延処理を施されたパルス状の電圧を印加することにより、超音波パルスを発生させるとともに、この超音波をフォーカスおよび偏向できるように構成されている。この構成により、振動子群１２２は３次元方向に超音波２６を送信することができる。また、超音波プローブ１２ａは、振動子群１２２を複数設けることにより、広範囲に超音波２６を送信できるように構成されている。

受信プローブ９１３は、複数の検出素子を有する検出素子群１３２から構成され、各検出素子は、例えば、圧電素子に電極を形成した構造からなり、振動子群１２２と同じ共振周波数を有するように構成されている。この構成により、検出素子群１３２に振動子群１２２から送信された超音波２６と同じ周波数の超音波エコー２８が伝搬すると、検出素子の各圧電素子が共振し、それぞれ圧電効果により電圧を生じる。各検出素子は、この電圧の変化を検出することにより超音波エコー２８を検出できるように構成されている。 なお、受信プローブ９１３は、上述と同様に、被検体１１との間に、超音波２６による被検体１１の表面の変位（振動）を伝える反射体４３（不図示）が配置されているとしてもよい。

図１８Ａおよび図１８Ｂは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の配置を示す概略構成図である。図１８Ａは上面図を示しており、図１８Ｂは図１８ＡのＡの方向からみた断面図を示している。図１８Ａに示すように、振動子群１２２は被検体１１の上に複数配置され、その周囲に検出素子群１３２が配置されている。また、図１８Ｂに示すように振動子群１２２および検出素子群１３２と被検体１１との間には、振動子群１２２に対応した音響レンズ４２１が配置されている。

音響レンズ４２１は、本発明における超音波偏向素子に相当し、超音波プローブ１２ａが送信した超音波を被検体１１に略垂直に入射するように偏向する。具体的には、音響レンズ４２１は、超音波プローブ１２ａの振動子群１２２から送信される超音波４２４が被検体１１に略垂直に入射するように構成される。

なお、反射体４３が配置されている場合、音響レンズ４２１は、反射体４３と被検体１１との間に反射体４３と一体に構成され、反射体４３は、音響レンズ４２１を介して、被検体１１と密着して配置されているとすればよい。

次に、このように構成された本実施の形態の超音波検査装置の動作について具体的に説明する。

まず、制御部１９が所定のタイミングで駆動信号を発生するように送信部１８を制御し、送信部１８は超音波をフォーカス及び偏向させるための遅延処理を行い、遅延処理された駆動パルスを、超音波プローブ１２ａの複数の振動子群１２２それぞれに供給する。超音波プローブ１２ａは、送信部１８から送られた駆動パルスに従い、各振動子群１２２から所定の方向に超音波４２４を送信する。

次に、振動子群１２２から送信された超音波４２４は、図１８Ｂに示す音響レンズ４２１により偏向され、被検体１１に略垂直に入射する。入射した超音波４２４は、被検体１１内部の音響インピーダンスの異なる組織の界面で反射され、超音波エコー４２５となって被検体１１の表面に伝搬し、音響レンズ４２１で再び偏向されて送受信面４２６に到達する。送受信面４２６に到達した超音波エコー４２５は、検出素子群１３２の各検出素子の圧電素子を機械的に共振させ、圧電効果により発生した電圧の変動からエコー信号が検出される。

このエコー信号検出動作は、振動子群１２２から送信される超音波４２４の送信方向を変えながら行われる。ここで、図１８Ｂの点線は超音波４２４の走査範囲を示しており、この点線で示すように、振動子群１２２から超音波４２４が送信される時点では、この走査はセクタ走査となっている。しかし、このセクタ走査された超音波４２４は、音響レンズ４２１で偏向されることにより略垂直に被検体内に入射するので、被検体内では、リニア走査のように走査される。

このように走査すると、通常のセクタ走査と比べて、被検体１１の浅い部分の走査範囲を広くすることができるとう効果を奏する。また、本構成では、複数の振動子群１２２を用いて検査領域を広げることができるので、検査領域の隙間をなくすとともに、重なる部分も小さくできるので、効率よく検査が行えるという効果を奏する。

なお、従来、このような２次元の広い領域をリニア走査するためには、走査する領域と同じ大きさの領域に、高密度に振動子を配列させる必要があり、圧電素子の微細加工や、配線が困難等の理由から実現が困難であった。本実施の形態の構成では、振動子を高密度に配置するのは振動子群１２２のみであり、同じく圧電素子を用いる検出素子群１３２は、必ずしも検出素子（圧電素子）を高密度に配列する必要がない。そのため、製造上の難易 度を下げることができ、容易に製造できる。

また、検出素子群１３２は、検出素子を低密度で配列できるだけでなく、検出素子を不規則に散らしたスパースアレイとしてもよい。このように構成すると、検出データを処理する演算量やメモリを削減でき、コストおよび消費電力を削減できる。

再び、超音波検査装置の動作についての説明に戻る。受信プローブ９１３で検出されたエコー信号は、受信部１４で増幅およびデジタル変換されて信号処理部１５へ送られる。信号処理部１５では、そのエコー信号は、まず、記憶部１５ａに記憶された後、記憶部１５ａに格納された信号データに基づき演算処理部１５ｂで整相加算すなわちビームフォーミング処理が行われ、得られた３次元データが画像メモリ１５ｃに記憶される。

以上の動作は、被検体１１内を走査しながら行われ、検査領域全体の情報が演算されて画像メモリ１５ｃに保存される。画像メモリ１５ｃに保存された３次元データは、画像処理部１６で３次元画像のレンダリング処理が施され、画像表示部１７で画像が表示される。このような動作により、広範囲の超音波画像が得られる。

以上、本実施の形態の超音波検査装置によれば、複数の振動子群１２２を用いたことにより広い検査領域が実現できる。また、各振動子群１２２の走査範囲を隙間なく、かつ、重なりも少なく配置することができるため、効率よく検査が行え、短時間で広範囲の検査が可能となる。また、同程度の検査領域を実現するリニア走査の構成と比べると、高密度に配列する振動子の数を大幅に減らすことができるので、圧電素子の微細加工や、配線の課題が軽減され、容易に製造が可能である。さらに、検出素子群１３２を超音波プローブ１２の振動子群１２２と別体で形成できるので、受信プローブ９１３を大開口化できる。それにより、ビームフォーミングによる分解能を向上させることができる。

なお、本実施の形態の超音波検査装置は、音響レンズ４２１を備えることにより、各振動子群１２２（超音波プローブ１２ａ）の走査範囲の隙間および重なりを減らすとして説明したが、それに限らない。超音波検査装置が音響カプラ（くさび）を備えるとしてもよく、同様の効果を奏する。

図１９Ａおよび図１９Ｂは、本発明の実施の形態４における振動子群および検出素子群の別の配置を示す概略構成図である。図１９Ａは上面図を示しており、図１９Ｂは図１９ＡのＢの方向からみた断面図を示している。図１９Ａ及び図１９Ｂにおいて、図１８Ａおよび図１８Ｂの構成と異なる点は、音響レンズ４２１に代えて音響カプラ４２１ａを備える点のみである。なお、図１８Ａおよび図１８Ｂと同様の構成要素は同一の符号を付しており、説明を省略する。

図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、振動子群１２２ａおよび検出素子群１３２ａと被検体１１の間には、音響カプラ４２１ａが配置されている。

音響カプラ４２１ａは、本発明における超音波偏向素子に相当し、超音波プローブ１２ａが送信した超音波を被検体１１に略垂直に入射するように偏向する。また、音響レンズ４２１は、被検体１１の表面に対して傾斜した面を有し、当該傾斜した面に超音波プローブ１２ａの振動子群１２２ａが配置されている。

具体的には、音響カプラ４２１ａは、被検体１１の表面に対する傾斜面４３２ａ、４３２ｂ、および、水平面４３３を有する。そして、傾斜面４３２ａ、４３２ｂには、振動子群１２２ａが配置され、水平面４３３に検出素子群１３２ａが配置されている。この構成により、被検体１１に対して超音波４２４が斜入射する。そして、斜入射した超音波４２４が、被検体１１に入射する際に屈折して、略垂直方向に偏向されるように、音響カプラ３２１ａの音響インピーダンスが設定されている。

また、傾斜面４３２ａと傾斜面４３２ｂとは傾斜方向が逆向きであり、図１９Ａの点線で示しているように超音波４２４の送信方向が互いに向かい合うように構成されるとともに、走査範囲は隙間なく重なるように構成されている。

このように構成された音響カプラ４２１ａおよび振動子群１２２ａは、振動子群１２２ａから超音波４２４が送信される時点では、セクタ走査である。しかし、音響カプラ４２１ａと被検体１１の間の屈折、および、振動子群１２２ａの配置により、各振動子群の走査範囲を隙間なく、重なりも少なく配置することができるため、効率よく検査が行え、短時間で広範囲の検査が可能となる。また、振動子を高密度に形成するのは振動子群１２２ａのみであるので、製造も容易である。

また、図１８Ｂに示すように、超音波検査装置が音響レンズ４２１を備える構成では、音響レンズ４２１の界面で僅かに超音波エコー２５の反射が生じてしまう。一方、超音波検査装置が音響カプラ４２１ａを備える構成では、エネルギー損失はないので、超音波エコー４２５の検出感度を向上させることができるというさらなる効果を奏する。

なお、本実施の形態では、超音波の送信および受信を圧電素子で行う構成としたが、それに限らない。例えば、マイクロマシン加工を用いた容量型超音波トランスデューサ（以後、ＣＭＵＴ）を用いてもよい。圧電素子を用いる場合は、振動子群と検出素子群の共振周波数のずれによる感度低下が生じる可能性があるが、ＣＭＵＴは特性のばらつきが小さく、共振周波数のずれによる感度低下は生じにくい。

（変形例１）
上記では、超音波の受信を圧電素子で行う構成としたが、それに限らない。実施の形態１〜３で説明したように、光を用いて超音波を検出する構成にしてもよい。以下の変形例１では、受信部１４と受信プローブ９１３との代わりに、光を用いて超音波を検出するための受信部３１４と、光プローブ４１３とを備える構成について説明する。

図２０Ａおよび図２０Ｂは、本発明の実施の形態４の変形例１における超音波検査装置の構成を示す図である。なお、図１６Ａと同様の構成要素は同一の符号を付しており、説明を省略する。図２０Ａは光プローブ４１３および受信部３１４の概略構成図を示しており、図２０Ｂは検出素子群１３２ａの概略構成図を示している。本変形例の構成が、実施の形態４の構成と異なるのは、光プローブ４１３および受信部３１４のみであり、その他の部分は同じであるので説明を省略する。

本変形例における超音波検査装置の光プローブ４１３および受信部３１４は、被検体１１から、図１９Ａおよび図１９Ｂに示した音響カプラ４２１ａに伝搬した超音波による振動を、光ヘテロダイン法で検出するように構成されている。受信部３１４は光プローブ４１３に超音波エコーを検出するための適切な光を供給すると共に、光プローブ４１３からの光出力を電気信号に変換して出力するように構成されている。

図２０Ａにおいて、光プローブ４１３と受信部２１４とは光ファイバ２２０、および、数万本の光ファイバが配列され、画像を伝送可能なイメージファイバ２３０で繋がれている。受信部４１４の光源は、半導体レーザ３７１と電流変調器３７２とからなり、電流変調器３７２により半導体レーザ３７１の注入電流に鋸歯状の電流を重畳し、出射光の光周波数を鋸歯状に変調したレーザ光３７３を出射するように構成されている。また、半導体レーザ３７１から出射したレーザ光３７３を集光する集光レンズ２２３を有し、レーザ光３７３を光ファイバ２２０で送光するように構成されている。また、イメージファイバ２３０で送られる画像を拡大する拡大レンズ２２４と、拡大された画像を受光するＣＣＤ、ＭＯＳ型センサ、又は、複数のＰＤ（フォトダイオード）で構成された２次元アレイの光検出器２２５を備えている。

光ファイバ２２０の出射端は、屈折率分布型のＧＲＩＮレンズが配置され、光ファイバ２２０から出射する光をコリメートするように構成されている。光プローブ４１３は、光ファイバ２２０で送光されたレーザ光３７３を線状の平行光に変換する導光棒４５１と、検出素子群１３２ａとを備え、検出素子群１３２ａの上面４２３ａに現れる超音波エコーの波紋の画像をイメージファイバ２３０で伝送する。

検出素子群１３２ａは、例えば、図２０Ｂに示す構造で構成される。具体的には、検出素子群１３２ａは、導光棒４５１から出射したレーザ光４４３を側面から入射させ、一方の主面４６１ａから出射する導光板４６１と、導光板４６１の主面４６１ａに隣接して配置されたワイヤグリッド偏光板４６２と、ワイヤグリッド偏光板４６２を透過した光を反射させる分割された複数の反射板４６３と、導光板４６１を挟んでワイヤグリッド偏光板４６２の反対側に配置された偏光板４６４と、偏光板４６４を透過した光を投影するスクリーン４６５とを備える。

導光棒４５１は、光が出射する側面に対して略４５度傾斜した傾斜面を有する偏向溝が複数形成された構造であり、導光棒４５１に入射した光を全反射により略９０度偏向する。

導光板４６１の対向面４６１ｂには、主面４６１ａに対して略４５度傾斜した傾斜面からなる複数の偏向面４６１ｃが形成され、主面４６１ａに対して略平行に入射した光を全反射により主面４６１ａに向けて偏向し、主面４６１ａから略垂直に出射するように構成されている。

また、ワイヤグリッド偏光板４６２と偏光板４６４の透過軸とは略４５度ずらして構成されている。また、ワイヤグリッド偏光板４６２で反射したレーザ光４４３ａの一部と、ワイヤグリッド偏光板４６２を透過した後、反射板４６３で反射したレーザ光４４３ｂの一部とが偏光板４６４を透過するように構成されている。

次に、このように構成された本変形例の超音波検出動作について図２０Ａおよび図２０Ｂを用いて説明する。

まず、半導体レーザ３７１から電流変調器３７２で光周波数が変調されたレーザ光３７３が出射される。このレーザ光３７３は、集光レンズ２２３、および光ファイバ２２０を経由して光プローブ４１３に供給される。供給されたレーザ光３７３は、図示していないＧＲＩＮレンズによりコリメートされて光ファイバ２２０から出射し、導光棒４５１で線状の平行光に変換され、検出素子群１３２ａに入射する。そして、検出素子群１３２ａの導光板４６１に入射したレーザ光３７３は、偏向面４６１ｃで偏向され、導光板４６１の主面４６１ａから略垂直に出射し、ワイヤグリッド偏光板４６２で一部が透過、一部が反射する。

ワイヤグリッド偏光板４６２で反射したレーザ光３７３ｅは導光板４６１を透過して偏光板４６４に入射し、ワイヤグリッド偏光板４６２を透過したレーザ光３７３ｆは、反射板４６３で反射し、再びワイヤグリッド偏光板４６２、導光板４６１を経由して偏光板４６４に入射する。

このとき、音響カプラ４２１ａの上面に超音波エコー４２５が伝わると、反射板４６３が振動し、反射板４６３で反射したレーザ光３７３ｆはドップラーシフトにより光周波数が僅かにずれる。

偏光板４６４に到達したレーザ光３７３ｅとレーザ光３７３ｆとは偏光が直交しているが、偏光板４６４の透過軸は、これらの偏光に対して略４５度となるように構成されている。そのため、どちらのレーザ光も一部は偏光板４６４を透過して合波される。合波されたレーザ光３７３ｅ、レーザ光３７３ｆは同じ偏光となっているので、スクリーン４６５上で干渉光として重ね合わされる。この干渉光の強度分布は、光ファイバ２２０を経由して受信部４１４に送られ、拡大レンズ２２４で拡大され光検出器２２５で２次元の強度分布として受光される。

ここで、スクリーン４６５上で観測される、ある領域の干渉光の強度は、レーザ光３７３ｅとレーザ光３７３ｆとの光路長差に応じたビート信号となり、反射板４６３が振動するとビート信号の周波数ずれとなって現れる。したがって、光検出器２２５で検出された信号からＦＭ変調されたビート信号を復調することにより２次元面内のエコー信号の検出を行うことができる。

以上のように、本変形例の超音波検査装置は、超音波エコー４２５を光学的に検出できるように構成している。このように構成すると、光プローブ４１３に圧電素子の微細加工や電気的配線が不要となり、超音波エコー４２５の受信点を多点化できると共に広い領域に配置できる。これによりＳ／Ｎが向上するとともに、ビームフォーミングによる分解能を向上させることができる。

なお、本変形例における光ヘテロダイン法を応用した超音波検出の構成は、音響レンズを用いて構成することもできる。以下、それを変形例２で説明する。

（変形例２）
図２１Ａおよび図２１Ｂは、本発明の実施の形態４の変形例２における超音波検査装置の構成を示す図である。なお、図２０Ａおよび図２０Ｂと同様の構成要素は同一の符号を付しており、説明を省略する。図２１Ａは受信部３１４と、振動子群１２２を含む光プローブ４１３ａとの概略構成図を示しており、図２１Ｂは、振動子群１２２を含む光プローブ４１３ａの概略構成図を示している。図２１Ａおよび図２１Ｂにおいて、図２０Ａおよび図２０Ｂと異なるのは、振動子群１２２を含む光プローブ４１３ａと、音響レンズ４８２のみであり、その他の部分は同じであるので説明を省略する。また、図２０Ａおよび図２０Ｂと同じ構成要素は、同じ符号を付し、説明を省略する。

図２１Ａに示すように、光プローブ４１３ａは、検出素子群１３２ｂと音響レンズ４８２と振動子群１２２とを有し、導光棒４５１から出射するレーザ光３７３を入射させて、検出素子群１３２ｂの上面に現れる超音波エコーの波紋の画像をイメージファイバ２３０で伝送するように構成されている。

検出素子群１３２ｂは、例えば、図２１Ｂに示すように、図２０Ｂに示した構造と同様の導光板４６１、ワイヤグリッド偏光板４６２、偏光板４６４、スクリーン４６５を備える。

音響レンズ４８２は、本発明の超音波偏向素子に相当し、光学的な屈折率が等しく、音響インピーダンスの異なる２種類以上の透明部材の組合せで構成されている。具体的には、音響レンズ４８２は、光学的な屈折率が等しく、音響インピーダンスの異なる２種類の透明部材４８２ａと透明部材４８２ｂとで構成されており、超音波４２４は屈折し、レーザ光３７３ｈは屈折しない。

また、音響レンズ４８２と被検体１１との間には、反射層４８３が配置され、被検体１１から伝搬する超音波エコー４２５に応じて振動するとともに、レーザ光３７３ｈを反射するように構成されている。また、音響レンズ４８２の上面には、振動子群１２２が配置されている。

このように構成された検出素子群１３２ｂは、図１８Ａおよび図１８Ｂに示す構造と同様に、音響レンズ４８２により、リニア走査のような走査を行うことができ、被検体１１に略垂直に超音波４２４を送信させることができる。この構成により、複数の送受信素子を組み合わせると、効率よく短時間で広範囲の検査が可能となる。

また、図２０Ａおよび図２０Ｂに示した構造と同様に、被検体１１から伝搬した超音波エコー４２５による振動を反射層４８３に伝え、この情報を反射層４８３で反射するレーザ光３７３ｈに伝えることにより、超音波エコー４２５を検出することができる。この構成により、圧電素子の微細加工や電気的配線が不要となり、超音波エコー４２５の受信点を多点化できると共に広い領域に配置できる。これによりＳ／Ｎが向上するとともに、ビームフォーミングによる分解能を向上させることができる。

この構成ではさらに、反射層４８３を音響レンズ４８２と被検体１１との間に配置しているので、被検体１１の内部から伝搬してきた超音波エコー４２５は、音響レンズ４８２で減衰、あるいは、反射する前に信号（振動）をレーザ光３７３ｈに伝達することができる。これにより、エコー信号の検出感度を向上させることができる。

以上、本発明によれば、構造的に分解能を向上させることが可能な超音波プローブ、およびそれを用いた超音波検査装置を実現できる。

具体的には、本発明の超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置によれば、高い分解能が得られるとともに、撮像時間を短縮することができるという効果を奏する。より詳細には、本構成によれば、被検体からの反射波（超音波）を大開口で検出するので、送信される超音波の幅と比較して高い分解能が得られる。また、送信する超音波の幅を広げるとともに、走査ピッチを広げることができるため、走査を行う際の超音波の送受信の回数を少なくでき、撮像時間の短縮を図ることができる。また、超音波エコーを光で検出する構成としたことにより、多数の受信スポットを２次元的に配列する構成ができる。

以上、本発明の超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。つまり、本発明の実施の形態１〜実施の形態４に示した構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。また全ての構成はどのように組み合わせてもよく、それぞれ本発明固有の効果を発揮することは言うまでもない。

本発明は、超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置に利用でき、特に３次元走査を高速に行い、かつ、検査領域の広くしたい超音波プローブおよびそれを用いた超音波検査装置に利用できる。

１０ 超音波検査装置
１１ 被検体
１１ａ、１１ｂ 突起部
１２、１２ａ 超音波プローブ
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、２１３、３１３、４１３、４１３ａ 光プローブ
１４、２１４、３１４、４１４ 受信部
１５ 信号処理部
１５ａ 記憶部
１５ｂ 演算処理部
１５ｃ 画像メモリ
１６ 画像処理部
１７ 画像表示部
１８ 送信部
１９ 制御部
２５、２８、４９、２４９、３４９、３４９ｂ、３４９ｃ、３４９ｄ、３４９ｅ、４２５ 超音波エコー
２６、４２４ 超音波
３０、３７２ 電流変調器
３１、３７１ 半導体レーザ
３２、２３１ コリメートレンズ
３３ 偏光ビームスプリッタ
３４ １／４波長板
３５、３６ レンズ
３７ レンズアレイ
３８、２４５ スペーサ
３９ ミラー
４０ アパーチャ
４１、２３２ ハーフミラー
４２、２２５ 光検出器
４３ 反射体
４４、２２２、３７３、３７３ａ、３７３ｂ、３７３ｃ、３７３ｄ、３７３ｅ、３７３ｆ、３７３ｇ、３７３ｈ、４４３、４４３ａ、４４３ｂ レーザ光
４５ 検出光
４５ａ 透過光
４６ 参照光
５１、５２ 信号波形
５７ 偏光反射板
６１ 光ファイバ束
６４ 送信ファイバ
６５ 受信ファイバ
７１、３７４、４５１ 導光棒
７２ 面状検出部
７３、３８１、４６１ 導光板
７３ａ、４６１ａ、３８１ａ 主面
７３ｂ、４６１ｂ、３８１ｂ 対向面
７３ｃ、４６１ｃ、３８１ｃ 偏向面
７４、３８４、４６４ 偏光板
７５ 視野角制御シート
１２１ 振動子
１２２、１２２ａ 振動子群
１３１ 受信スポット
１３２、１３２ａ、１３２ｂ 検出素子群
２２０ 光ファイバ
２２１ 光源
２２３、３２３ 集光レンズ
２２４ 拡大レンズ
２３０ イメージファイバ
２３３ ビームエキスパンダ
２３４ 結像レンズ
２４０、３３１、３３１ａ、３４０、３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ、３８０ 超音波検出素子
２４１ａ 多層膜ミラー
２４１ｂ 多層膜ミラー
２４２ 空気層
２４３ 基板
２４４、３４４、３６４ 音響整合材
２４６ スリット
２４７ａ、２４７ｂ 分光特性
２４８ 波線
３２１ａ、４２１ａ 音響カプラ
３５１、４２１、４８２ 音響レンズ
３６１、３６５ 音響ミラー
３６２ フィルム
３６３、３８７ 空気層
３８０ａ、４２３ａ 上面
３８２、４６２ ワイヤグリッド偏光板
３８３、４６３ 反射板
３８６ 棒体
３８５、４６５ スクリーン
４２６ 送受信面
４３２ａ、４３２ｂ 傾斜面
４３３ 水平面
４８２ａ、４８２ｂ 透明部材
４８３ 反射層
９１３ 受信プローブ

Claims (22)

1. 被検体に超音波を送信する超音波送信部と、
   前記被検体内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出する超音波検出部と、を備え、
   前記超音波検出部の前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出するための領域の面積は、前記超音波送信部の前記被検体に超音波を送信するための領域の面積よりも大きい
   超音波プローブ。
2. 前記超音波検出部は、
   光源と、
   前記光源が出射した光を前記被検体上に照射する光学系と、
   前記被検体上からの反射光を受光し、当該反射光に応じた信号を検出する受光素子と、を備え、
   前記超音波検出部は、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動を、前記受光素子で検出される信号の変化から検出することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出する
   請求項１に記載の超音波プローブ。
3. 前記超音波検出部は、さらに、被検体上に前記被検体に密着して配置され、前記被検体内部の組織で反射した超音波による前記被検体の表面の振動に応じて、前記被検体上に照射された光を反射する反射体を有し、
   前記超音波検出部は、前記反射体により反射された光を前記反射光として受光素子が受光することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出する
   請求項２に記載の超音波プローブ。
4. 前記超音波検出部は、前記光源が出射した光を検査用の第１光と参照用の第２光とに分岐する光分岐素子を備え、
   前記光学系は、前記光分岐素子により分岐された前記第１光を前記被検体上に照射するとともに、前記被検体上で反射した前記第１光に前記光分岐素子により分岐された前記第２光と合波させた光を前記反射光として前記受光素子に受光させ、
   前記合波させた反射光は、前記反射した第１光と前記第２光との光周波数の差に応じたビート周波数を有し、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動に応じて周波数変調され、
   前記超音波検出部は、前記被検体の表面に伝搬した超音波による前記被検体の表面の振動を、前記受光素子で検出される前記合波させた反射光の周波数変調による信号の変化から検出することにより、前記被検体内部の組織で反射した超音波を検出する
   請求項２または３に記載の超音波プローブ。
5. 前記光分岐素子は、前記光源が出射した光の一部を前記第１光として透過し、他部を前記第２光として反射する半透過素子で構成されている
   請求項４に記載の超音波プローブ。
6. 前記反射体は、複数の領域を有し、
   前記被検体に密着して形成され、前記被検体の表面の振動を示す超音波を前記複数の検出領域ごとに収束させる超音波収束部と、
   前記超音波収束部の前記被検体と密着しない方の面に形成され、前記被検体上に照射された光を反射する第１の反射素子とを備え、
   前記超音波収束部は、前記被検体の表面の振動を示す超音波を、前記複数の検出領域ごとに収束させて前記第１の反射素子に増幅して伝搬し、
   前記第１の反射素子は、増幅した当該超音波に応じて変化される反射率で、前記被検体上に照射された光を反射する
   請求項３に記載の超音波プローブ。
7. 前記超音波収束部は、音響レンズで構成されている
   請求項６に記載の超音波プローブ。
8. 前記超音波収束部は、
   前記被検体の表面の振動を示す超音波の伝搬方向に向かって断面積が小さくなる突起状のテーパ部材と、
   前記テーパ部材の周囲に配置された、前記テーパ部材と音響インピーダンスの異なるミラー材とを備え、
   前記テーパ部材の内部を伝搬する当該超音波は、前記テーパ部材と前記ミラー材との境界面で反射しながら前記第１の反射素子に伝搬する
   請求項６に記載の超音波プローブ。
9. 前記ミラー材は、空気層で構成される
   請求項８に記載の超音波プローブ。
10. 前記第１の反射素子は、
    異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成された第１多層膜および第２多層膜と、
    前記第２の多層膜を、前記複数の領域ごとに分割するためのスリットと、
    前記第１多層膜および前記第２多層膜の間に形成され、前記スリットにより分割された前記第２の多層膜の一端を固定するスペーサと、を有し、
    前記スペーサは、第１多層膜および前記第２多層膜の間に空間を構成し、
    前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波を、分割された前記第２の多層膜ミラーの固定されていない他端付近に伝搬することにより、前記第２多層膜ミラーが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅する
    請求項６に記載の超音波プローブ。
11. 前記第１の反射素子は、
    異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成された第１多層膜および第２多層膜と、
    前記第２の多層膜を、前記複数の領域ごとに分割するためのスリットと、
    前記第１多層膜および前記第２多層膜の間に形成され、前記スリットにより分割された前記第２の多層膜のうち少なくとも１つおきの当該第２の多層膜の一端を固定するスペーサと、を有し、
    前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波を、分割された当該第２の多層膜ミラーの中央、あるいは、重心位置に伝搬することにより、前記第２多層膜ミラーが歪んで、伝搬された当該超音波を増幅する
    請求項６に記載の超音波プローブ。
12. 前記光源は、波長幅の狭い前記光を出射し、
    前記第１の反射素子は、
    異なる屈折率を有する膜を交互に積層して形成され、略等しい反射特性を有する第１多層膜および第２多層膜と、
    前記第１多層膜が形成され、前記光源からの照明光が入射される基板と、を備え、
    前記第１多層膜は、共振器構造となるように前記第２多層膜と対向配置され、
    前記第１の反射素子は、前記超音波収束部により収束された前記超音波が伝搬することにより、前記共振器構造の共振器長を変動させて、前記被検体上に照射された光を反射する反射光量を変動させる
    請求項６に記載の超音波プローブ。
13. 前記超音波検出部は、前記光源が出射する前記光の波長を、前記第１の反射素子での反射率が最小となるように調整した後に、前記被検体内部の組織で反射した超音波を、光を用いて検出する
    請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
14. 前記超音波プローブは、さらに、
    前記超音波送信部が送信した超音波を前記被検体に略垂直に入射するように偏向する超音波偏向素子を備え、
    前記超音波送信部は、２次元あるいは３次元的に超音波を送信できる振動子群を有し、
    前記超音波偏向素子は、前記反射体と前記被検体との間に前記反射体と一体に構成され、
    前記反射体は、前記超音波偏向素子を介して、前記被検体と密着して配置されている
    請求項３〜５のいずれか１項に記載の超音波プローブ。
15. 前記超音波偏向素子は、音響レンズからなる
    請求項１４に記載の超音波プローブ。
16. 前記超音波偏向素子は、
    前記被検体の表面に対して傾斜した面を有し、当該傾斜した面に前記超音波送信部の振動子群が配置されている音響カプラからなる
    請求項１４に記載の超音波プローブ。
17. 前記超音波プローブは、複数の前記超音波送信部を有し、
    前記超音波偏向素子は、前記複数の超音波送信部における前記被検体内部での超音波の走査範囲が隙間なく構成されるように、形成されている
    請求項１４に記載の超音波プローブ。
18. 前記超音波偏向素子は、光学的な屈折率が等しく、音速の異なる２種類以上の透明部材の組合せで構成された音響レンズからなり、
    前記音響レンズは、前記超音波を屈折させ、前記照明光は屈折させないように構成されている
    請求項１４または１５に記載の超音波プローブ。
19. 請求項２〜１８のいずれか１項に記載の超音波プローブを備える
    超音波検査装置。
20. 前記被検体に密着させて用いられ、前記超音波送信部および前記超音波検出部の一部が構成される検査部と、前記超音波送信部および前記超音波検出部の他部が少なくとも構成される本体部とを有し、
    前記本体部は、前記光源と、前記受光素子と、前記光学系の一部を少なくとも有する
    請求項１９に記載の超音波検査装置。
21. さらに、前記超音波送信部が超音波を送信するタイミングを制御する制御部を備え、
    前記制御部は、前記超音波送信部超音波を送信した後の経過時間に応じて、前記光源から出射する光の光量を制御する
    請求項１９または２０に記載の超音波検査装置。
22. 前記超音波検査装置は、さらに、前記超音波検出部により検出された前記被検体内部の組織で反射した超音波に基づいて整相加算を行い前記被検体内部の情報を得る信号処理部を備え、
    前記超音波検査装置は、前記信号処理部により得られた前記被検体内部の情報を表示する
    請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の超音波検査装置。

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