WO2014034469A1 - 光源ユニットおよびそれを用いた光音響計測装置 - Google Patents

光源ユニットおよびそれを用いた光音響計測装置 Download PDF

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覚 入澤
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    • G02B6/4206—Optical features

Definitions

  • the present invention relates to a light source unit that emits laser light and a photoacoustic measuring device using the same.
  • Photoacoustic spectroscopy irradiates a subject with light having a predetermined wavelength (for example, visible light, near-infrared light, or mid-infrared wavelength band), and a specific substance in the subject radiates the energy of this light.
  • a photoacoustic wave which is an elastic wave generated as a result of absorption, is detected, and the concentration or distribution of the specific substance is measured (for example, Patent Document 1).
  • the specific substance in the subject is, for example, glucose or hemoglobin contained in blood when the subject is a human body.
  • a technique for detecting a photoacoustic wave and generating a photoacoustic image based on the detection signal is referred to as photoacoustic imaging (PAI) or photoacoustic tomography (PAT).
  • PAI photoacoustic imaging
  • PAT photoacoustic tomography
  • the intensity of the laser light irradiated to the subject is significantly attenuated by absorption and scattering during the propagation in the subject. Therefore, in the measurement using the photoacoustic spectroscopy (photoacoustic measurement) as described above, Laser light having a large light energy is used. Then, the photoacoustic measuring device 1, for example, as shown in FIG. 20, a photoacoustic measurement probe 4, a light source unit 3 that supplies laser light L to the probe 4, and a photoacoustic wave signal detected by the probe 4. An acoustic signal processing unit 2 is provided.
  • the probe 4 and the acoustic signal processing unit 2 are detachable by the first connector 5a, and the probe 4 and the light source unit 3 are detachable by the second connector 5b.
  • An acoustic detection element array 4a is provided in the probe 4, and the acoustic detection element array 4a is connected to the control means 2a of the acoustic signal processing unit 2 by a control signal line 4c.
  • the laser light L output from the light source 3a is guided to the tip of the probe 4 by the optical fiber 4b and is irradiated to the subject M.
  • spatial transmission is adopted as the laser light transmission inside the housing of the light source unit without using a light guide member such as an optical fiber.
  • a light guide member such as an optical fiber.
  • the optical fiber cannot withstand optical energy and is destroyed.
  • the transmission of the laser light L inside the housing from the light source 3a to the second connector 5b is performed by spatial transmission.
  • the transmission efficiency may be lower than the optical transmission using the light guide member.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a light source unit capable of performing light transmission inside the housing of the light source unit more stably and efficiently, and a photoacoustic measurement apparatus using the light source unit. It is intended.
  • a light source unit is: A light source unit for emitting laser light to the light guide of the probe, A unit housing having a connector part of the light guide part and a detachable connector receiving part; A light source that outputs laser light installed inside the unit housing; A diffusion unit for diffusing laser light output from the light source; A condensing lens system for condensing the laser light diffused by the diffusion unit; An optical transmission unit including an optical fiber that transmits the laser beam condensed by the condenser lens system to the connector receiving unit; The connector receiving portion is an optical connection between the optical fiber and the light guide portion.
  • the photoacoustic apparatus is: A probe having a light guide for guiding laser light emitted toward a subject to generate a photoacoustic wave;
  • a photoacoustic measurement device comprising a light source unit that emits laser light to a light guide, The light source unit A unit housing having a connector part of the light guide part and a detachable connector receiving part; A light source that outputs laser light installed inside the unit housing; A diffusion unit for diffusing laser light output from the light source; A condensing lens system for condensing the laser light diffused by the diffusion unit;
  • An optical transmission unit including an optical fiber that transmits the laser beam condensed by the condenser lens system to the connector receiving unit;
  • the connector receiving portion is an optical connection between the optical fiber and the light guide portion.
  • the optical fiber is preferably a single fiber.
  • the optical transmission part has a light-resistant energy structure at the light incident side end of the optical fiber
  • the condensing lens system condenses the laser light so that the minimum beam diameter D of the laser light defined by the following formula 1 is greater than d in / 2 in relation to the core diameter d in on the light incident side of the optical fiber.
  • the core end surface on the light incident side of the optical fiber is preferably arranged so that the laser light is incident in a state where the beam diameter of the laser light is d in / 2 or more.
  • the optical transmission unit is preferably an air gap optical fiber cable having a covering member that covers the optical fiber so that a side surface in the vicinity of the end surface of the optical fiber is exposed.
  • Equation 1 A represents a coefficient determined by the type of the diffusing unit, f represents the focal length of the condenser lens system, ⁇ represents the divergence angle of the laser light when entering the diffusing unit, and ⁇ represents the diffusing unit. Represents the diffusion angle.
  • “Expansion angle” means the angle at which the beam diameter of the laser beam expands as it propagates.
  • the “diffusion angle” of the diffusion part means a designed diffusion angle, that is, an angle at which the beam diameter of the laser beam incident on and transmitted through the diffusion part as parallel light expands with propagation. It should be noted that the “expansion angle” and the “diffusion angle” are expressed as full-plane angles. When measuring these angles, the beam diameter is measured at about 10 points within a range of propagation distance from a certain beam diameter to a beam diameter that is 2.0 times the beam diameter. It is preferable to obtain from the slope of change.
  • the “beam diameter” is a diameter of a circle centering on the center of the beam (usually the maximum position of the beam intensity) that includes approximately 86.5% of the energy profile of the laser light, so-called 1 / E 2 diameter.
  • a circle having an energy of 86.5% in the vicinity of the position estimated to be the center of the beam is comprehensively created.
  • the diameter of the circle with the smallest value may be used as the beam diameter.
  • the minimum beam diameter D of the laser light defined by the above formula 1 is set to d in / 3 or more and 2 d in / 3 or less in relation to the core diameter d in on the light incident side of the optical fiber.
  • Condenses laser light The core end surface on the light incident side of the optical fiber is preferably arranged so that the laser light is incident in a state where the beam diameter of the laser light is not less than d in / 3 and not more than 2 d in / 3.
  • the diffusion unit is a lens diffusion plate in which minute lenses are randomly arranged on the surface of the substrate.
  • the diffusing unit flattenes the energy profile of the incident laser light.
  • the diffusing unit is an engineered diffusing plate and the coefficient A in the above formula is 2.5 can be adopted.
  • the diffusing portion is a holographic diffusion plate and the coefficient A in the above formula is 2.4 can be adopted.
  • the light guide section is a bundle fiber
  • the core diameter d out on the light emission side of the optical fiber and the bundle diameter B of the bundle fiber preferably satisfy the following formula 2. 0.8B ⁇ d out ⁇ 1.2B Equation 2
  • the connector receiving portion preferably holds the optical fiber so that the direction of the first optical axis on the light emitting side of the optical fiber has an oblique angle.
  • the insertion path of the connector receiving portion into which the insertion portion of the connector portion is inserted is the second on the light incident side of the light guide portion as the insertion portion is inserted.
  • the guide structure is preferably such that the opening width of the insertion path is larger than the back width of the insertion path, and the inner wall surface of the insertion path is curved from the opening side toward the back.
  • a roller is provided on the inner wall surface of the insertion path.
  • the light source unit and the photoacoustic measurement device perform optical transmission to the connector receiving portion inside the housing by optical fibers, the inside of the housing and the housing wall move differently with temperature change and vibration. However, it is possible to prevent the light incident position on the connector receiving portion from being shifted. Furthermore, the light source unit and the photoacoustic measurement device according to the present invention broaden the distribution of the propagation angle of the light beam included in the laser light by passing the laser light once through the diffusion unit, and collect the beam diameter when entering the optical fiber. Since control is performed based on the focal length of the optical lens system, it is possible to prevent the laser light from being excessively narrowed when the light is condensed by the condensing lens system and incident on the optical fiber. Thereby, damage to the optical fiber due to local light energy exceeding the damage threshold energy of the optical fiber can be prevented. As a result, it is possible to perform light transmission inside the housing of the light source unit more stably and efficiently.
  • the energy profile of the laser beam is made uniform while the laser beam is transmitted through the optical fiber, it is possible to obtain an effect that the light can be transmitted uniformly to the light guide portion of the probe.
  • (B) It is a figure which shows the energy profile of the laser beam condensed with the lens after diffusing with a holographic diffusion plate. It is a graph which shows the relationship between the optical characteristic of a lens diffusing plate and a condensing lens system, and the minimum beam diameter. A graph showing the correlation between the diameter of the condensing range and the minimum beam diameter when a laser beam having a distribution of the angle formed by the traveling direction and the optical axis of the condensing lens system is condensed on the condensing lens system. Yes (when using engineered diffuser).
  • Yes when using holographic diffuser. It is a graph which shows the relationship between the beam diameter in a lens focus position, and the damage threshold energy of the core of a general optical fiber cable by experiment which changed the conditions of a diffuser plate and a condensing lens system. It is a graph which shows the relationship between the beam diameter in a lens focus position, and the damage threshold energy of the core of an air gap optical fiber cable by experiment which changed the conditions of a diffuser plate and a condensing lens system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of the photoacoustic measurement apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an internal configuration of the photoacoustic measurement apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a partial configuration inside the unit housing.
  • the photoacoustic measurement device is assumed to be a photoacoustic image generation device that generates a photoacoustic image based on a photoacoustic signal.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10 includes a probe 11, an ultrasonic unit 12, a laser unit 13, and a personal computer (PC) 17 as shown in FIG. Then, the light L emitted from the laser unit 13 is irradiated to the subject M through the probe 11, and the photoacoustic wave resulting from this light irradiation is detected by the probe 11.
  • PC personal computer
  • the probe 11 can be broadly divided into a probe main body 11a (a portion where the original functions of the probe are integrated) and a cable portion 11b.
  • the probe main body 11a mainly includes a light guide plate 41, an acoustic detection unit 42, and a housing 45 that accommodates them.
  • the optical fiber 40 and the acoustic signal line 44 are mainly inserted through the cable portion 11b.
  • the probe 11 and the ultrasonic unit 12 are detachably connected by a connector 50, and the probe 11 and the laser unit 13 are detachably connected by a connector 51.
  • the optical fiber 40 is optically connected to the laser unit 13 that outputs the laser light L via the connector 51, and guides the laser light L to the light guide plate 41.
  • the optical fiber 40 corresponds to the light guide unit of the present invention.
  • the optical fiber 40 is not particularly limited, and a known fiber such as a quartz fiber can be used.
  • a single fiber or a bundle fiber may be used, but a bundle fiber is more preferable.
  • the bundle fiber is a fusion bundle fiber whose end on the light incident side is fusion-bonded.
  • the clads are fused together to bundle the optical fibers in a hexagonal honeycomb shape, and an extra gap between the optical fibers is eliminated as compared with bundle processing using an adhesive. Therefore, there is an advantage that the area occupied by the core per unit area is improved. Further, since a material weak to light energy does not appear at the incident end of the bundle fiber, there is an advantage that durability against light energy is also improved.
  • the light guide plate 41 is a plate that performs special processing on the surface of an acrylic plate or a quartz plate, for example, and uniformly emits light from one end surface from the other end surface.
  • the two light guide plates 41 are disposed so as to face each other with the acoustic detection unit 42 interposed therebetween.
  • the optical fiber 40 and the light guide plate 41 are optically coupled to each other.
  • the light guide plate 41 is formed in a tapered shape with a tapered side on the side coupled to the optical fiber 40. Thereby, the irradiation range of light can be expanded.
  • the acoustic detection unit 42 detects an acoustic wave from the subject and generates an electrical signal (acoustic signal) corresponding to the intensity of the detected acoustic wave.
  • acoustic wave means an ultrasonic wave and a photoacoustic wave.
  • ultrasonic wave means an elastic wave generated in a subject due to vibration of an acoustic wave generator such as a piezoelectric element and its reflected wave
  • photoacoustic wave means light generated by light irradiation. It means an elastic wave generated in the subject due to the acoustic effect.
  • the acoustic detection unit 42 includes, for example, a backing material, an acoustic detection element array, a control circuit for the acoustic detection element array, an acoustic matching layer, and an acoustic lens.
  • the acoustic detection element array includes a plurality of acoustic detection elements arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and converts actually detected acoustic waves into electrical signals.
  • the acoustic detection element is, for example, a piezoelectric element made of a polymer film such as piezoelectric ceramics or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the acoustic signal line 44 is an electrical signal that transmits the acoustic signal generated by the acoustic detection unit 42 to the ultrasonic unit 12 and transmits the signal from the ultrasonic unit 12 to the control circuit of the acoustic detection element array. Is a line.
  • the ultrasonic unit 12 receives the photoacoustic signal transmitted from the probe 11 via the connector 50, and generates a photoacoustic image based on the photoacoustic signal.
  • the ultrasonic unit 12 and the laser unit 13 are connected by a control signal line 62. Details of the ultrasonic unit 12 will be described later.
  • the connector 50 is a connecting member that electrically connects the acoustic signal line 44 and the receiving circuit 21 of the ultrasonic unit 12.
  • a connector for example, a known multi-core connector can be used.
  • the connector 50 includes a plug 50a and a receptacle 50b having a structure corresponding to the plug 50a and detachable from the plug 50a.
  • the control signal line 62 is a signal line that connects between the control means 60 of the ultrasonic unit 12 and the control means 61 of the laser unit 13, and is, for example, an electrical signal line.
  • the ultrasonic unit 12 and the laser unit 13 can communicate with each other by transmitting and receiving a control signal via the control signal line 62.
  • “transmit / receive” a control signal means that a control signal is unilaterally transmitted from one of the ultrasonic unit 12 and the laser unit 13 to the other, and that both units both transmit control signals. It means to send or receive.
  • the control signal is, for example, a trigger signal for synchronizing the laser light output timing and the photoacoustic detection timing.
  • This trigger signal may be a signal transmitted from the laser unit 13 to the ultrasonic unit 12 and indicating that the laser beam has been output (that is, a trigger signal in a setting where the laser unit is higher), A signal transmitted from the ultrasonic unit 12 to the laser unit 13 and instructing to prepare to output laser light or to execute output (that is, a trigger signal in a setting where the ultrasonic unit is higher). There may be.
  • the laser unit 13 includes an oscillator 30 that oscillates laser light L, a diffusing unit 80, a condensing lens system 81, an optical fiber cable 82, and a unit housing 13b that accommodates these. L is emitted.
  • the laser unit 13 corresponds to the light source unit in the present invention.
  • the laser unit 13 is configured to emit laser light L in response to a trigger signal from the control means 60 of the ultrasonic unit 12, for example.
  • the laser light L emitted from the laser unit 13 is guided to the light guide plate 41 of the probe 11 using a light guide unit such as an optical fiber 40.
  • a caster 13a is provided on the bottom surface of the laser unit 13 so as to be easily movable.
  • the unit housing 13 b has a receptacle 51 b that constitutes the connector 51.
  • the optical system in the laser unit 13 is configured such that the laser light L is incident on the end of the optical fiber 40 connected by the connector 51. That is, the laser light L output from the oscillator 30 and subsequently incident on the diffusion unit 80 is incident on the incident-side end portion 82 e of the optical fiber cable 82 via the condenser lens system 81. Thereafter, the laser light L transmitted through the optical fiber cable 82 is emitted from the connector 51 to the optical fiber 40 of the probe 11.
  • the optical system will be described in detail.
  • the structure of the oscillator 30 is not particularly limited, but as shown in FIG. 3, for example, a laser rod 70, an excitation lamp 71, a laser chamber 72, an output mirror 73, a total reflection mirror 74, a Q switch 32, and a case for housing them. 78.
  • the oscillator 30 corresponds to the light source in the present invention.
  • the laser rod 70 is a solid element containing an active solid medium, and is preferably alexandrite.
  • the excitation lamp 71 is a light source that supplies energy for the stimulated emission of the laser rod 70.
  • a rod-shaped flash lamp in which Xe gas is sealed can be adopted.
  • the laser chamber 72 includes a laser rod 70 and an excitation lamp 71, and is a member for condensing light emitted from the excitation lamp 71 onto the laser rod 70.
  • the laser chamber 72 is configured such that the coolant flowing in from the pipe 79a passes through the inside of the laser chamber 72 and then flows out from the pipe 79b.
  • the Q switch 32 is on the optical axis of the stimulated light Lo and is disposed between the laser rod 70 and the total reflection mirror 74.
  • the Q switch 32 includes, for example, a ⁇ / 4 plate 75, a Pockels cell 76, and a polarizer 77.
  • the housing 78 has an opening 78 a for taking out the laser light Lo on the side wall of the portion facing the output mirror 73. Note that the oscillator 30 may include other optical elements as necessary.
  • the oscillator 30 is a Q-switched alexandrite laser.
  • the oscillator 30 preferably outputs a pulsed light having a pulse width of 1 to 150 nsec as the laser light L.
  • the pulse width of the laser light L is controlled by, for example, a Q switch.
  • the wavelength of the laser light is appropriately determined according to the light absorption characteristics of the substance in the subject to be measured. For example, when the measurement target is hemoglobin in a living body (that is, when a blood vessel is imaged), generally, the wavelength is preferably a wavelength belonging to the near-infrared wavelength region.
  • the near-infrared wavelength region means a wavelength region of about 700 to 850 nm.
  • the wavelength of the laser beam is not limited to this.
  • the laser beam L may be a single wavelength or may include a plurality of wavelengths (for example, 750 nm and 800 nm). Furthermore, when the laser light L includes a plurality of wavelengths, the light of these wavelengths may be irradiated to the subject M at the same time, or may be irradiated while being switched alternately.
  • the oscillator 30 may be a YAG-SHG-OPO laser or a Ti-Sapphire laser that can output laser light in the near-infrared wavelength region in addition to the alexandrite laser.
  • the diffusion unit 80 diffuses the laser light L output from the oscillator 30 to increase the beam diameter of the laser light L. That is, the diffusing unit 80 functions to expand the distribution of the propagation angle of the light beam included in the laser light L by passing the laser light L once through the diffusing unit. Thereby, since the light emitting surface of the diffusing unit 80 becomes a secondary light source of the laser light L, it is possible to prevent the laser light L from being excessively focused when the condensing lens system 81 condenses the laser light L.
  • the diffusing unit 80 is disposed at a position that receives the laser light L output from the oscillator 30. Note that other optical elements may be provided between the oscillator 30 and the diffusion unit 80 as necessary.
  • the diffusing unit 80 is preferably a diffusing plate, and particularly preferably a lens diffusing plate.
  • the diffusion angle of the diffusing portion 80 is preferably 0.2 to 5.0 °, more preferably 0.4 to 3.0 °. This is because the diffusion efficiency is high.
  • the diffusion unit 80 may employ a holographic diffusion plate that is a lens diffusion plate in which minute convex lenses are randomly arranged on the surface (for example, one side) of the substrate.
  • a holographic diffusion plate for example, Edmunds (model number: 48513-L, material: quartz, diffusion angle: 0.5 °, transmission efficiency: 93%) can be used.
  • the diffusion unit 80 is preferably a homogenizer.
  • the homogenizer is an optical element that flattens the energy profile (energy distribution) of the laser beam L incident from the upstream side of the optical system and diffuses the laser beam L.
  • the flat-top laser beam L is guided to the condensing lens system 81 and enters the incident-side end portion 82e of the optical fiber cable 82 in a state having a flat-top energy profile.
  • “To make the energy profile flat” means, in other words, shaping the laser light incident on the homogenizer into a laser beam having a flat-top energy profile near the center.
  • the term “flat top” refers to a case where a concentric circle whose diameter is 80% of the beam diameter in the energy profile of the laser beam emitted from the homogenizer is taken, and a standard deviation is obtained for the energy at each point in the concentric circle. , which means that the standard deviation is within 25% of the average energy within the concentric circles.
  • a homogenizer is structurally designed so that light is completely flat top at infinity (that is, the standard deviation is substantially equal to 0).
  • the energy profile when the laser light is incident on the incident side end portion 82e of the optical fiber cable 82 is not necessarily in a completely flat top state, and is in a flat top state within the above range. If there is enough. By flattening the energy profile of the laser beam L, it is further prevented that the light intensity is locally increased, and damage to the optical fiber cable 82 is further suppressed.
  • the homogenizer may be composed of a single optical element or a combination of a plurality of optical elements.
  • a lens diffuser plate in which minute concave lenses or the like are randomly arranged on the surface (for example, one side) of the substrate as the homogenizer.
  • an engineered diffuser plate (Engineered Diffuser manufactured by RPC Photonics) is used. Users) (model number: EDC-2.0-A, diffusion angle: 2.0 °) can be used.
  • EDC-2.0-A model number: EDC-2.0-A, diffusion angle: 2.0 °
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the optical system of the diffusion unit 80.
  • the homogenizer as the diffusing unit 80 can be configured by, for example, arranging the microlens array A85 and the microlens array B86 as shown in FIG. 4a. Further, as shown in FIG. 4b, the homogenizer can also be configured by a flat top laser beam shaver 92 in which an aspheric lens that corrects, for example, a beam energy profile or an angular distribution is incorporated.
  • the condensing lens system 81 is for guiding the laser light L that has passed through the diffusing unit 80 to the incident side end 82e of the optical fiber cable 82.
  • the focal length of the condenser lens system 81 (the distance between the principal point on the optical fiber cable 82 and the focal point) is preferably 10 to 100 mm, and more preferably 15 to 50 mm. This is because the optical system can be miniaturized and the focal length is matched with the numerical aperture NA (about 0.22 at the maximum) of a general optical fiber whose core is made of quartz and whose clad is made of fluorine-doped quartz.
  • the condensing lens system 81 may be a coupled lens composed of a plurality of lenses. When the condenser lens system 81 is a coupled lens, the focal length of the condenser lens system 81 refers to the combined focal length of the coupled lens.
  • the distance between the diffusing unit 80 and the condensing lens system 81 is appropriately adjusted so that the laser light L diffused by the diffusing unit 80 is efficiently coupled to the condensing lens system 81.
  • the diffusing unit 80 is disposed on the upstream side of the optical system with respect to the condensing lens system 81 and within a range of three times the focal length from the center of the condensing lens system 81.
  • the optical fiber cable 82 transmits the laser light L condensed by the condenser lens system 81 to the receptacle 51b described later.
  • the optical fiber cable 82 corresponds to the optical transmission unit in the present invention.
  • the optical transmission part in this invention does not need to be an optical fiber cable which consists of an optical fiber and the coating
  • the optical fiber cable 82 may be fixed to the receptacle 51b or may be configured to be detachable. If the optical fiber cable 82 can be fixed to the receptacle 51b at least when the laser light L is emitted from the optical fiber cable 82, the object of the present invention can be achieved.
  • the optical fiber cable 82 includes, for example, an optical fiber composed of a core and a clad, and a covering member such as a ferrule and a sheath covering the periphery of the optical fiber.
  • the optical fiber cable 82 may be a single fiber or a bundle fiber. However, in the case of a bundle fiber, a single fiber is preferable because of a large coupling loss.
  • the core diameter of the optical fiber is preferably 100 to 2000 ⁇ m, and more preferably 200 to 1200 ⁇ m.
  • the optical fiber in the optical fiber cable 82 is not particularly limited, but is preferably a quartz fiber.
  • an SMA type optical fiber manufactured by Thorlabs can be used.
  • the optical fiber cable 82 preferably has a light-resistant energy structure at the end on the light incident side.
  • the “light-resistant energy structure” means a structure for suppressing damage due to energy of laser light.
  • an air gap optical fiber cable having a so-called air gap 88 can be used as the optical fiber cable 82 having a light-resistant energy structure.
  • the damage threshold energy density of the clad 84b (the magnitude of energy per unit area where the structure starts to be damaged by the energy of the laser beam) is approximately the same as the damage threshold energy density of the core 84a.
  • An optical fiber 82a (for example, an optical fiber having a core made of quartz and a clad made of fluorine-doped quartz) and a ferrule 87a covering the optical fiber 82a so that the side surface near the end face of the clad 84b is exposed.
  • the provided optical fiber cable 82 (FIG. 5) covers the optical fiber so that the cladding near the end face is removed and the side face near the end face of the core is exposed, and the side face near the end face of the core is exposed.
  • Fiber optic cable with ferrule, and damage threshold energy density An optical fiber 82a having a structure (end cap structure) in which a member 88a made of a material (quartz or the like) having the same degree of damage threshold energy density as the core 84a is connected to the end portion and the side surface of the member 88a are exposed.
  • the optical fiber cable 82 (FIG. 6) provided with the ferrule 87a which coat
  • the optical fiber cable 82 is an air gap optical fiber cable having a structure in which the side surface of the core 84a or the cladding 84b in the vicinity of the end face is exposed
  • the range in which the core 84a or the cladding 84b is exposed is 1 to 3 mm from the end. It is preferable that The reason why the optical fiber is 1 mm or more is that the energy density of light deviating from the outside of the core is reduced and the energy absorbed by the material around the core 84a or the clad 84b is less than the damage threshold energy of the material. This is because it is necessary to take a distance from the end of the cable 82 to the material around the core 84a or the clad 84b.
  • the reason why the thickness is 3 mm or less is to prevent damage caused by bending or bending when the light incident surface of the end face of the optical fiber cable 82 is polished.
  • the optical fiber 82a in the optical fiber cable 82 is not particularly limited, but is preferably a quartz fiber.
  • the air gap optical fiber cable can be manufactured, for example, by inserting a quartz fiber into a commercially available air gap ferrule, bonding and fixing, and then polishing the end face.
  • the optical fiber cable 82 having the light-resistant energy structure includes an optical fiber 82a having a core 84a / cladding 84b structure, and a ferrule 87b covering the optical fiber, the damage threshold energy density being equal to the damage threshold energy density of the core 84a.
  • a fiber cable 82 (FIG. 7) can also be used.
  • “near the end face” is preferably 1 to 3 mm from the viewpoint of damage to the adhesive due to light energy and the strength of adhesive fixing.
  • the optical fiber 82a and the ferrule 87a or 87b are fixed to each other with an adhesive 82c.
  • the position of the optical fiber cable 82 is adjusted so that, for example, the incident end of the optical fiber therein is positioned at the focal point of the condenser lens system 81.
  • an optical fiber cable position adjustment unit that moves the optical fiber cable 82 in the optical axis direction may be provided. In this way, it is possible to adjust the position near the focal position within a range that does not impair the flat top property, and it is also possible to finely adjust the beam diameter when entering the incident side end portion 82e. It becomes possible.
  • the core diameter of the optical fiber 82a on the optical transmission unit (optical fiber cable 82) side is made the same as or slightly smaller than the diameter of the optical fiber 40 on the probe 11 side, and the light emitting end face of the optical fiber 82a and the optical fiber
  • the 40 light incident end faces close to each other, light does not spread around the optical fiber, and loss in the connection between these optical fibers 82a and 40 can be suppressed. Thereby, the effect that the transmission efficiency of energy improves also in the light emission side of a single fiber is acquired.
  • the core diameter d out on the light exit side of the optical fiber 82a on the light transmission section side and the bundle diameter B of the bundle fiber are as follows: It is preferable to satisfy Equation 3.
  • the bundle diameter means the maximum distance on the outer circumference of each of the optical fibers that are farthest from each other among the plurality of optical fibers in the bundle fiber. 0.8B ⁇ d out ⁇ 1.2B Equation 3
  • the reason is as follows.
  • the energy profile of the laser beam is flattened by repeating the reflection of the laser beam inside the optical fiber 82a.
  • This is because, in particular, when the optical fiber 40 on the probe 11 side is a bundle fiber, it is possible to make the same amount of energy incident on each fiber strand included in the bundle fiber.
  • the effect is that the uniformity of the distribution can be maintained.
  • the present inventor conducted an experiment, when laser light flattened by an engineered diffusion plate (homogenizer) and a condenser lens is directly incident on the bundle fiber without passing through the optical fiber, the light source The energy transmission efficiency of the entire system up to the output side end of the bundle fiber was about 50%.
  • the above transmission efficiency can be obtained without using a homogenizer. Surprisingly, it improved to a maximum of about 61%.
  • the optical fiber 40 on the probe 11 side is a single fiber. In this case, the superiority to the transmission efficiency and the uniformity of the light distribution are compatible.
  • the connector 51 is a connection member that optically connects the optical fiber 40 and the optical system inside the unit housing 13b.
  • a connector for example, a known optical connector can be used.
  • the connector 51 includes a plug 51a and a receptacle 51b having a structure corresponding to the plug 51a and detachable from the plug 51a.
  • the plug 51a and the receptacle 51b correspond to the connector portion and the connector receiving portion in the present invention, respectively.
  • the receptacle 51b itself may include an optical member that connects the output side end face of the optical fiber cable 82 and the incident side end face of the optical fiber 40.
  • the PC 17 has a user interface as the input means 16 and a monitor as the image display means 14, and is connected to the ultrasonic unit 12 by a cable 17a.
  • the user can input photoacoustic measurement conditions and check the photoacoustic image using the PC 17.
  • the PC may be integrated with the ultrasonic unit.
  • the ultrasonic unit 12 includes a receiving circuit 21, an AD converting means 22, a receiving memory 23, a photoacoustic image reconstruction means 24, a detection / logarithmic converting means 27, a photoacoustic image constructing means 28, and a control.
  • Means 60, image composition means 38 and observation method selection means 39 are provided.
  • the control means 60 controls each part of the photoacoustic image generation apparatus 10, and includes a trigger control circuit 66 in this embodiment.
  • the trigger control circuit 66 sends a light trigger signal as a control signal to the control means 61 of the laser unit 13 when the photoacoustic image generation apparatus is activated, for example.
  • the flash lamp 31 is turned on in the laser unit 13, the excitation of the laser rod is started, and preparation for laser output is started. And the excitation state of a laser rod is maintained and the laser unit 13 will be in the state which can output a pulse laser beam.
  • the control means 60 transmits a Q switch trigger signal as a control signal from the trigger control circuit 66 to the control means 61 of the laser unit 13.
  • the control means 61 that has received the Q switch trigger signal controls the Q switch 32 to output the laser light L. That is, the control means 60 controls the output timing of the pulsed laser light from the laser unit 13 by this Q switch trigger signal.
  • the control unit 60 transmits the sampling trigger signal to the AD conversion unit 22 simultaneously with the transmission of the Q switch trigger signal.
  • the sampling trigger signal serves as a cue for the start timing of the photoacoustic signal sampling in the AD conversion means 22. As described above, by using the sampling trigger signal, it is possible to sample the photoacoustic signal in synchronization with the output of the laser beam.
  • the receiving circuit 21 receives the photoacoustic signal generated by the probe 11.
  • the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 is transmitted to the AD conversion means 22.
  • the AD conversion means 22 is a sampling means, which samples the photoacoustic signal received by the receiving circuit 21 and converts it into a digital signal.
  • the AD conversion unit 22 includes a sampling control unit and an AD converter.
  • the reception signal received by the reception circuit 21 is converted into a sampling signal digitized by an AD converter.
  • the AD converter is controlled by the sampling control unit, and is configured to start sampling when the sampling control unit receives a sampling trigger signal.
  • the AD converter 22 samples the received signal at a predetermined sampling period based on, for example, an AD clock signal having a predetermined frequency input from the outside.
  • the reception memory 23 stores the photoacoustic signal sampled by the AD conversion means 22 (that is, the sampling signal). Then, the reception memory 23 outputs the photoacoustic signal to the photoacoustic image reconstruction unit 24.
  • the photoacoustic image reconstruction means 24 reads the photoacoustic signal from the reception memory 23 and generates data of each line of the photoacoustic image based on the photoacoustic signal detected by the acoustic detection unit 42 of the probe 11.
  • the photoacoustic image reconstruction means 24 adds, for example, data from 64 acoustic detection elements of the probe 11 with a delay time corresponding to the position of the acoustic detection element, and generates data for one line (delay addition method). ).
  • the photoacoustic image reconstruction unit 24 may perform reconstruction by a CBP method (Circular Back Projection) instead of the delay addition method. Alternatively, the photoacoustic image reconstruction unit 24 may perform reconstruction using the Hough transform method or the Fourier transform method.
  • the detection / logarithm conversion means 27 obtains the envelope of the data of each line, and logarithmically transforms the obtained envelope.
  • the photoacoustic image construction means 28 constructs a photoacoustic image for one frame based on the data of each line subjected to logarithmic transformation.
  • the photoacoustic image construction means 28 constructs a photoacoustic image by converting, for example, a position in the time axis direction of the photoacoustic signal (peak portion) into a position in the depth direction in the photoacoustic image.
  • the observation method selection means 39 is for selecting the display mode of the photoacoustic image.
  • Examples of the volume data display mode for the photoacoustic signal include a mode as a three-dimensional image, a mode as a cross-sectional image, and a mode as a graph on a predetermined axis.
  • the display mode is selected according to the initial setting or the input from the input unit 16 by the user.
  • the image synthesis means 38 generates volume data using the photoacoustic signals acquired sequentially.
  • the volume data is generated by assigning the signal value of each photoacoustic signal to the virtual space according to the coordinates associated with each frame of the photoacoustic image and the pixel coordinates in the photoacoustic image.
  • the image composition unit 38 performs necessary processing (for example, scale correction and coloring according to the voxel value) on the generated volume data.
  • the image composition means 38 generates a photoacoustic image according to the observation method selected by the observation method selection means 39.
  • the photoacoustic image generated according to the selected observation method becomes the final image (display image) to be displayed on the image display means 14.
  • the image display means 14 displays the display image generated by the image composition means 38.
  • the transmission of the laser beam inside the unit housing 13b is a spatial transmission
  • the incident position of the laser beam on the connector receiving portion (receptacle 51b) is shifted, and the amount of transmitted energy is stabilized. Furthermore, there is a problem that transmission efficiency is lowered. Therefore, in the present invention, in order to prevent the deviation of the incident position of the laser light L, transmission to the receptacle 51b is performed by the optical fiber cable 82 (optical fiber).
  • the optical fiber cable 82 optical fiber
  • one end of the optical fiber cable 82 is fixed to the optical system inside the housing, and the other end is fixed to the receptacle 51b.
  • the distribution of the propagation angle of the light beam contained in the laser light L is expanded by passing the laser light L once through the diffusing unit 80, and the beam diameter when entering the optical fiber cable 82 is set to the condensing lens system.
  • the focal length of 81 By controlling with the focal length of 81, the laser light collected by the condenser lens system 81 is prevented from being excessively narrowed when entering the optical fiber.
  • the condensing lens system 81 when the optical fiber cable 82 has a light-resistant energy structure at the light incident side end, the condensing lens system 81 has the minimum beam of the laser light L defined by the following equation 4.
  • the laser beam is focused so that the diameter D (that is, the focused focal beam diameter at the focal plane) becomes d in / 2 or more in relation to the core diameter d in on the light incident side of the optical fiber cable 82.
  • the core end surface on the light incident side of the optical fiber cable 82 is preferably arranged so that the laser light L is incident in a state where the beam diameter of the laser light is d in / 2 or more.
  • Equation 4 A represents a coefficient determined by the type of the diffusing unit 80, f represents the focal length of the condenser lens system 81, ⁇ represents the divergence angle of the laser light L when entering the diffusing unit 80, ⁇ represents the diffusion angle of the diffusion unit 80.
  • the “expansion angle” means an angle at which the beam diameter of the laser light L expands with propagation.
  • the “diffusion angle” of the diffusing unit 80 means a designed diffusing angle, that is, an angle at which the beam diameter of the laser light L that is incident and transmitted through the diffusing unit 80 as parallel light spreads as it propagates. It should be noted that the “expansion angle” and the “diffusion angle” are expressed as full-plane angles.
  • the beam diameter is measured at about 10 points within a range of propagation distance from a certain beam diameter to a beam diameter that is 2.0 times the beam diameter. It is preferable to obtain from the slope of change.
  • the “beam diameter” is a diameter of a circle centering on the center of the beam (usually the maximum position of the beam intensity) that includes approximately 86.5% of the energy profile of the laser beam L, The so-called 1 / e 2 diameter is used. In this case, when it is difficult to obtain the center of the beam due to irregular distribution of the beam intensity, a circle having an energy of 86.5% in the vicinity of the position estimated to be the center of the beam is comprehensively created. The diameter of the circle with the smallest value may be used as the beam diameter.
  • the beam diameter D was set to 1/2 or more the core diameter d in the optical fiber 82a is that the core 84a of optical fiber 82a and the energy is concentrated by the beam diameter is throttled to damage (core failure mode) It is for suppressing. Further, this is also because the advantage of using an optical fiber having a light-resistant energy structure at the end is increased in a range where the beam diameter is at least half of the core diameter of the optical fiber 82a.
  • the condenser lens system 81 has a minimum beam diameter D of the laser light L on the light incident side of the optical fiber cable 82. and the laser beam so that d in / 3 or more 2d in / 3 or less in relation to the core diameter d in intended to collect light, the core end face on the light incident side of the optical fiber cable 82, the beam of laser light L It is preferable that the laser beam L is disposed so that the diameter is in a state where the diameter is d in / 3 or more and 2 d in / 3 or less.
  • the beam diameter D and the optical fiber 82a core diameter d in 1/3 or more is to prevent the core failure mode occurs energy is concentrated by the beam diameter is narrowed.
  • the beam diameter D was set to 2/3 or less of the core diameter d in the optical fiber 82a is member around the core of the optical fiber 82a by the beam diameter D is spread by absorbing the energy of the laser beam the This is because the member is damaged and it is possible to suppress discharge of dust and gas from the damaged part. Such emissions may cause a problem (ambient damage mode) that adheres to the end face of the optical fiber and induces destruction of the core in the vicinity of the end face, thereby impeding energy transmission. That is, the reason why the beam diameter is set to 2/3 or less of the core diameter of the optical fiber is to suppress the occurrence of the surrounding damage mode as described above.
  • the members around the core mean, for example, a resin clad, an adhesive and a coating covering the outer surface of the cladding, and a covering member such as a metal ferrule covering the outer periphery.
  • FIG. 8 is a diagram showing the energy profile of the beam at the lens focal point when the laser light diffused by the diffuser is collected by the condenser lens system
  • FIG. 9 collects the laser light without using the diffuser. It is a figure which shows the energy profile of the beam in the lens focus position at the time of condensing with an optical lens system. 8 and 9, the focal length of the condensing lens system 81 is 25 mm, but the minimum beam diameter when the diffuser plate is used is 330 ⁇ m, and the minimum beam diameter when the diffuser plate is not used. It can be seen that it is larger than (31 ⁇ m).
  • FIG. 10A is a diagram showing an energy profile in the focal plane of the laser light L collected by the lens after the energy profile is flattened by the homogenizer.
  • FIG. 10b is a diagram showing an energy profile in the focal plane of the laser beam condensed by the lens after diffusing the laser beam using a holographic diffusion plate without using a homogenizer.
  • the ratio of the full width at half maximum W1 to the minimum beam diameter D1 of the laser light in FIG. 10a is larger than the ratio of the full width at half maximum W2 to the minimum beam diameter D2 of the laser light in FIG. .
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the optical characteristics and the minimum beam diameter of, for example, a lens diffuser (engineered diffuser) and a condenser lens system.
  • the horizontal axis represents the diffusion angle (deg.) Of the lens diffusion plate
  • the vertical axis represents the diameter ( ⁇ m) of the minimum beam diameter.
  • the minimum beam diameter can be adjusted by adjusting the optical characteristics of the diffusion plate and the condenser lens system.
  • the tendency of the change in the diameter of the minimum beam diameter with respect to the diffusion angle of the lens diffusion plate is the same for diffusion plates other than homogenizers such as engineered diffusion plates (for example, holographic diffusion plates).
  • the collimated light is collected.
  • the invention uses the principle that the position of the point is deviated from the focal position of the condenser lens system and the distance between the focal point and the focal point can be approximated by f ⁇ tan ⁇ in the beam diameter control method. is there.
  • the laser beam is condensed at a position corresponding to each angle.
  • the condensing range of the entire laser beam obtained by superimposing the condensing points corresponding to the respective angles becomes large.
  • the angular distribution of the laser beam that was within about ⁇ / 2 before the diffusion plate is incident is approximately ⁇ (( ⁇ / 2) 2 + ( ⁇ / 2) 2 ), so that the condensing range of the entire laser beam collected by the condensing lens system is not transmitted through the diffusion plate. It will be larger than
  • the diameter of the condensing range is 2f ⁇ tan ( ⁇ (( ⁇ / 2) 2 + ( ⁇ / 2) 2 ) )
  • the minimum beam diameter D are estimated to have a certain correlation with each other.
  • this graph shows that an engineered diffusion plate having a predetermined diffusion angle ⁇ has a wavelength of 532 nm, a pulse width of 3.5 ns, a beam diameter of 3.5 mm when incident on the diffusion plate, and a divergence angle ⁇ .
  • a condensing range when the laser beam is collected by a condenser lens having a predetermined focal length f is a beam profiler (LaserCam-HR manufactured by Coherent). It is the experimental result measured. Note that the same beam profiler was used to determine the diffusion angle of the diffusion plate.
  • the five-point round plot in the graph is the result of measurement with an optical system comprising a combination of a condenser lens and a diffuser plate with a focal length f of 100 mm, and the diffusion angle ⁇ of the diffuser plate is from the lower left plot. Respectively 0.25, 0.50, 1.02, 2.05 and 3.15 °.
  • the five-point square plot in the graph is a result of measurement with an optical system composed of a condensing lens having a focal length f of 50 mm and a diffusion plate, and the diffusion angle ⁇ of the diffusion plate is a lower left plot. From 0.25, 0.50, 1.02, 2.05 and 3.15 °, respectively.
  • the triangular plot of five points in the graph is a result of measurement with an optical system composed of a condensing lens having a focal length f of 25 mm and a diffusion plate, and the diffusion angle ⁇ of the diffusion plate is a lower left plot. From 0.25, 0.50, 1.02, 2.05 and 3.15 °, respectively.
  • FIG. 12 shows that the minimum beam diameter D has a linear function with respect to the diameter of the focusing range.
  • the slope of the linear function in the graph was about 1.25. Therefore, for example, the coefficient A of Equation 4 above for the engineered diffuser is given by 2.5.
  • FIG. 13 shows the correlation between the diameter 2f ⁇ tan ( ⁇ (( ⁇ / 2) 2 + ( ⁇ / 2) 2 )) of the focusing range and the actual experimentally obtained minimum beam diameter D.
  • ⁇ (( ⁇ / 2) 2 + ( ⁇ / 2) 2 )
  • the five rhombus plots in the graph are the results of measurement with an optical system composed of a condensing lens with a focal length f of 25 mm and a diffusion plate, and the diffusion angle ⁇ of the diffusion plate is the lower left plot.
  • the three-point square plot in the graph is a result of measurement with an optical system composed of a condensing lens having a focal length f of 18.3 mm and a diffusion plate, and the diffusion angle ⁇ of the diffusion plate is lower left.
  • the triangular plot of 6 points in the graph is a result of measurement with an optical system composed of a condensing lens having a focal length f of 15.3 mm and a diffusion plate, and the diffusion angle ⁇ of the diffusion plate is in the lower left. From the plot, they are 0, 0.65, 0.95, 1.15, 1.35 and 1.80 °, respectively.
  • the high energy laser beam L is emitted so as not to exceed the damage threshold energy density of the core 84a of the optical fiber 82a in the optical fiber cable 82. Transmission by the optical fiber cable 82 becomes possible.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the beam diameter at the lens focal position and the damage threshold energy of the optical fiber cable by an experiment in which the conditions of the diffusion plate and the condenser lens are changed. More specifically, this graph shows that a wavelength of 532 nm, a pulse width of 3.5 ns, a beam diameter when incident on the diffusion plate is 3.5 mm, and a divergence angle ⁇ is 0.1.
  • the laser light is condensed on the end face of the optical fiber cable (core diameter 600 ⁇ m or 400 ⁇ m) by a condensing lens having a predetermined focal length f, and the core damage mode or the ambient damage mode
  • f the core damage mode
  • the pulse laser beam was incident on one end of the optical fiber, and the energy of the pulse laser beam emitted from the other end was measured. Then, while increasing the incident energy of the pulse laser beam until the incident side end portion was damaged, the maximum value of the energy measured on the emission side was used as the damage threshold energy.
  • the beam diameter at the lens focal position is a diffusion plate having a diffusion angle ⁇ of 0.65 or 1.8 ° and a condensing lens having a focal length f of 11.0, 15.3, 18.3 or 25.0 mm. It adjusted combining suitably.
  • the solid line shows the damage threshold energy curve of the end face of the optical fiber assumed from the damage threshold energy density of the quartz core.
  • the dotted line indicates the damage threshold energy of an optical fiber cable having a quartz core with a core diameter of 600 ⁇ m.
  • the alternate long and short dash line indicates the damage threshold energy of an optical fiber cable having a quartz core with a core diameter of 400 ⁇ m.
  • the start point of the half width is about 1/3 of the core diameter d, and the end point is about 2/3 of the core diameter d.
  • the damage mode of the optical fiber is switched from the core damage mode to the ambient damage mode while the beam diameter is increasing, and the damage threshold energy shows a convex change with respect to the beam diameter. .
  • the durability of the surrounding members as described above with respect to laser light is lower than that of a core made of quartz or the like. That is, when the optical fiber cable 82 does not have a light-resistant energy structure at the light incident side end, the beam diameter of the laser light L is greater than or equal to d in / 3 on the light incident side core end surface of the optical fiber cable 82. It is preferable that the laser beam L be arranged so as to be incident in a state of 2d in / 3 or less.
  • the control range of the beam diameter is limited to about 90 ⁇ m at the maximum.
  • the limit of the amount of energy that can be transmitted is about 1.0 mJ.
  • the beam diameter D is controlled by the combination of the diffusing unit 80 and the condenser lens system 81, a larger amount of energy can be transmitted as the beam diameter D is controlled to be enlarged. That is, according to FIG.
  • the beam diameter is 250 ⁇ m for an optical fiber having a core diameter of 400 ⁇ m, about 12 mJ, and if the beam diameter is 350 ⁇ m for an optical fiber having a core diameter of 600 ⁇ m, about 22 mJ. It becomes possible to transmit a large amount of energy dramatically. Thus, according to the present invention, the amount of energy that can be transmitted can be dramatically increased.
  • FIG. 15 is also a graph showing the relationship between the beam diameter at the lens focal position and the damage threshold energy of the optical fiber cable by an experiment in which the conditions of the diffusion plate and the condenser lens are changed.
  • the graph is a graph comparing particularly an optical fiber cable having a light-resistant energy structure and an optical fiber cable not having the structure. More specifically, this graph shows that an optical fiber cable 82 or an ordinary light having an air gap by a condensing lens having a predetermined focal length f after laser light is incident on a diffusion plate having a predetermined diffusion angle ⁇ .
  • the laser beam is focused on the end face of the fiber cable, and the energy when the core damage mode or the surrounding damage mode starts to be plotted is plotted.
  • the experimental method is the same as the method described in FIG.
  • the solid line shows the damage threshold energy of the optical fiber end face assumed from the damage threshold energy density of the quartz core.
  • the dotted line indicates the damage threshold energy of an air gap optical fiber cable (FIG. 5) having a quartz core with a diameter of 400 ⁇ m and a fluorine-doped quartz cladding with a thickness of 440 ⁇ m.
  • the one-dot chain line is a normal optical fiber cable having a quartz core with a diameter of 400 ⁇ m (that is, the side surface of the cladding at the end is not exposed, and an adhesive and a stainless steel ferrule are present around the end). Shows the damage threshold energy.
  • the damage threshold energy behavior in this graph shows that the normal fiber optic cable damage mode switches from the core damage mode to the ambient damage mode at a beam diameter of about 1 ⁇ 2 the core diameter.
  • the damage mode of the optical fiber cable does not switch to the peripheral damage mode even when the beam diameter is about 1 ⁇ 2 of the core diameter, and indicates that the core damage mode is dominant up to a larger beam diameter. This is because a normal optical fiber cable has lower durability against the laser light L of the surrounding members as compared to a core made of quartz or the like.
  • the upper limit value of the beam diameter D is not particularly limited.
  • the upper limit value of the beam diameter D is preferably equal to or less than the core diameter d in of the core 84a.
  • the light source unit and the photoacoustic measurement device perform optical transmission to the connector receiving portion by the optical fiber, the inside of the housing and the housing wall are different with temperature change and vibration, respectively. Even if it moves, it can prevent that the incident position of the light to a connector receptacle part shifts
  • control is performed based on the focal length of the optical lens system, it is possible to prevent the laser light from being excessively narrowed when the light is condensed by the condensing lens system and incident on the optical fiber. Thereby, damage to the optical fiber due to local light energy exceeding the damage threshold energy of the optical fiber can be prevented. As a result, it is possible to perform light transmission inside the housing of the light source unit more stably and efficiently.
  • the receptacle 51b is attached to the unit housing 13b so that the direction of the optical axis C1 (first optical axis) on the light emitting side of the optical fiber cable 82 (or optical fiber 82a) has a depression angle ⁇ . Is provided.
  • the receptacle 51b is provided with an insertion port 52 into which the insertion portion 53 of the plug 51a is inserted.
  • the insertion portion 53 is constituted by the optical fiber 40 and its covering member 83 b, that is, the optical fiber cable 83.
  • the insertion port 52 has a diameter approximately equal to the diameter of the optical fiber cable 82 (the total length including the optical fiber 82 a and the covering member 82 b), and the optical fiber cable 82 is fixed to the insertion port 52.
  • the optical fiber cable 82 is fixed so that the direction of the optical axis C1 has the dip angle ⁇ by the receptacle 51b being inclined and installed in the unit housing 13b. “Has an dip” means that the direction of the optical axis C1 has a downward angle with respect to the horizontal.
  • FIG. 16a is a schematic view showing a state before the insertion portion 53 of the plug 51a is inserted into the insertion port 52 of the receptacle 51b, and FIG.
  • 16b shows that the insertion portion 53 of the plug 51a is inserted into the insertion port 52 of the receptacle 51b. It is the schematic showing the state when being done.
  • the fixing means for the plug 51a and the receptacle 51b is not clearly shown, but a known means can be appropriately employed as the fixing means. According to such a connector structure, it is possible to prevent the laser light from being inadvertently emitted horizontally to the space outside the unit housing 13b, and even if the laser light is emitted, it is absorbed by the floor or the ground. , Increase safety.
  • the insertion port 52 has a guide structure in which the opening width is larger than the back width and the inner wall surface 52a is curved from the opening side toward the back, fixing means 54 and 55 are provided.
  • 16 is different from the connector structure of FIG. 16 in that the distal end of the insertion portion 53 is rounded.
  • the guide structure is “curved”, for example, when a cross section of the insertion port 52 in an arbitrary plane including the optical axis C2 of the optical fiber cable 82 is considered, the guide structure is curved on at least a part of the wall surface of the insertion port 52. It means that if you do it.
  • FIG. 17 the guide structure in which the opening width is larger than the back width and the inner wall surface 52a is curved from the opening side toward the back, fixing means 54 and 55 are provided. 16 is different from the connector structure of FIG. 16 in that the distal end of the insertion portion 53 is rounded.
  • the guide structure is “curved”, for example, when a cross section of the insertion port 52 in an arbitrary plane
  • the cross section of the insertion slot 52 in a plane parallel to the paper surface including the optical axis C2 is displayed, and it can be seen that the wall surface 52a is curved.
  • the optical fiber cable 83 or the optical fiber 40
  • the optical axis C3 second optical axis
  • the plug 51a and the receptacle 51b can be easily compared with the connector structure of FIG. Can be mounted (FIG. 17c).
  • the plug 51a has a protruding portion 54 and a concave portion 55 that are engaged with each other so that the plug 51a can be mounted simply by sliding relative to the receptacle 51b.
  • the fixing means is not limited to the protrusion 54 and the recess 55 described above, and other known means such as a push pin and a screw can be used.
  • the connector structure shown in FIG. 18 is different from the connector structure shown in FIG. 17 in that a roller 56 is installed at the opening of the insertion port 52.
  • a roller 56 is installed at the opening of the insertion port 52.
  • the plug 51a and the receptacle 51b can be attached.
  • the position and number of the rollers are not particularly limited, but it is preferable to install the rollers along the wall surface in the insertion port 52 where the insertion portion 53 is likely to come into contact.
  • FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of the photoacoustic image generation apparatus 10 of the present embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that an ultrasonic image is generated in addition to the photoacoustic image. Therefore, a detailed description of the same components as those in the first embodiment will be omitted unless particularly necessary.
  • the photoacoustic image generation apparatus 10 of this embodiment includes a probe 11, an ultrasonic unit 12, a laser unit 13, an image display unit 14, and an input unit 16 according to the present invention, as in the first embodiment.
  • the ultrasonic unit 12 of the present embodiment includes a transmission control circuit 33, a data separation unit 34, an ultrasonic image reconstruction unit 35, a detection / logarithm conversion unit 36, And an ultrasonic image constructing means 37.
  • the probe 11 performs output (transmission) of ultrasonic waves to the subject and detection (reception) of reflected ultrasonic waves from the subject with respect to the transmitted ultrasonic waves.
  • the acoustic detection element that transmits and receives ultrasonic waves the acoustic detection element array described above may be used, or a new acoustic detection element array provided separately in the probe 11 for ultrasonic transmission and reception is used. Also good.
  • transmission and reception of ultrasonic waves may be separated. For example, ultrasonic waves may be transmitted from a position different from the probe 11, and reflected ultrasonic waves with respect to the transmitted ultrasonic waves may be received by the probe 11.
  • the trigger control circuit 66 sends an ultrasonic transmission trigger signal for instructing ultrasonic transmission to the transmission control circuit 33 when generating an ultrasonic image. Upon receiving this trigger signal, the transmission control circuit 33 transmits an ultrasonic wave from the probe 11. The probe 11 detects the reflected ultrasonic wave from the subject after transmitting the ultrasonic wave.
  • the reflected ultrasonic waves detected by the probe 11 are input to the AD conversion means 22 via the receiving circuit 21.
  • the trigger control circuit 66 sends a sampling trigger signal to the AD conversion means 22 in synchronization with the timing of ultrasonic transmission to start sampling of reflected ultrasonic waves.
  • the reflected ultrasonic waves reciprocate between the probe 11 and the ultrasonic reflection position, whereas the photoacoustic signal is one way from the generation position to the probe 11. Since the detection of the reflected ultrasonic wave takes twice as long as the detection of the photoacoustic signal generated at the same depth position, the sampling clock of the AD conversion means 22 is half the time when the photoacoustic signal is sampled, for example, It may be 20 MHz.
  • the AD conversion means 22 stores the reflected ultrasonic sampling signal in the reception memory 23. Either sampling of the photoacoustic signal or sampling of the reflected ultrasonic wave may be performed first.
  • the data separating means 34 separates the photoacoustic signal sampling signal and the reflected ultrasonic sampling signal stored in the reception memory 23.
  • the data separation unit 34 inputs a sampling signal of the separated photoacoustic signal to the photoacoustic image reconstruction unit 24.
  • the generation of the photoacoustic image is the same as that in the first embodiment.
  • the data separation unit 34 inputs the separated reflected ultrasound sampling signal to the ultrasound image reconstruction unit 35.
  • the ultrasonic image reconstruction means 35 generates data of each line of the ultrasonic image based on the reflected ultrasonic waves (its sampling signals) detected by the plurality of acoustic detection elements of the probe 11. For the generation of the data of each line, a delay addition method or the like can be used as in the generation of the data of each line in the photoacoustic image reconstruction means 24.
  • the detection / logarithm conversion means 36 obtains the envelope of the data of each line output from the ultrasonic image reconstruction means 35 and logarithmically transforms the obtained envelope.
  • the ultrasonic image construction means 37 generates an ultrasonic image based on the data of each line subjected to logarithmic transformation.
  • the image composition unit 38 synthesizes the photoacoustic image and the ultrasonic image.
  • the image composition unit 38 performs image composition by superimposing a photoacoustic image and an ultrasonic image, for example.
  • the synthesized image is displayed on the image display means 14. It is also possible to display the photoacoustic image and the ultrasonic image side by side on the image display means 14 without performing image synthesis, or to switch between the photoacoustic image and the ultrasonic image.
  • the photoacoustic measurement apparatus since the photoacoustic measurement apparatus according to the present embodiment also uses the light source unit of the present invention, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the photoacoustic measurement device of the present embodiment generates an ultrasonic image in addition to the photoacoustic image. Therefore, by referring to the ultrasonic image, a portion that cannot be imaged in the photoacoustic image can be observed.
  • the photoacoustic measuring device demonstrated the case where a photoacoustic image and an ultrasonic image were produced
  • the photoacoustic measuring device can be configured to measure only the presence or absence of the measurement target based on the magnitude of the photoacoustic signal.
  • Photoacoustic image generation apparatus 11 Probe 12 Ultrasonic unit 13 Laser unit 13b Unit housing 14 Image display means 16 Input means 21 Reception circuit 22 Conversion means 23 Reception memory 24 Photoacoustic image reconstruction means 27 Detection / logarithm conversion means 28 Photoacoustic Image construction means 30 Oscillator (light source) 38 Image composition means 39 Observation method selection means 40 Optical fiber (light guide section) 41 Light Guide Plate 42 Acoustic Detection Unit 44 Acoustic Signal Line 51 Connector 51a Plug 51b Receptacle 52 Insertion Port 53 Insertion Unit 56 Roller 60 Ultrasonic Unit Control Unit 61 Laser Unit Control Unit 62 Control Signal Line 66 Trigger Control Circuit 80 Diffusion Unit 81 Condensing lens system 82 Optical fiber cable 82a Optical fiber 82b Cover member 83 Optical fiber cable L Laser light M Subject

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Abstract

光源ユニットの筺体内部における光伝送をより安定的に効率よく行うことを可能とする。プローブ１１の導光部４０にレーザ光Ｌを出射させる光源ユニット１３であって、導光部４０のコネクタ部５１ａと着脱可能なコネクタ受け部５１ｂを有するユニット筺体１３ｂと、ユニット筺体１３ｂの内部に設置されたレーザ光Ｌを出力する光源３０と、光源３０から出力されたレーザ光Ｌを拡散させる拡散部８０と、拡散部８０によって拡散したレーザ光Ｌを集光する集光レンズ系８１と、集光レンズ系８１によって集光されたレーザ光Ｌをコネクタ受け部５１ｂまで伝送する光ファイバ８２ａとを備え、コネクタ受け部５１ｂが光ファイバ８２ａおよび導光部４０を光学的に接続するものとする。

Description

光源ユニットおよびそれを用いた光音響計測装置
　本発明は、レーザ光を出射する光源ユニットおよびそれを用いた光音響計測装置に関するものである。
　光音響分光法は、所定の波長（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を有する光を被検体に照射し、被検体内の特定物質がこの光のエネルギーを吸収した結果生じる弾性波である光音響波を検出して、その特定物質の濃度または分布を計測するものである（例えば特許文献１）。被検体内の特定物質とは、例えば被検体が人体である場合には、血液中に含まれるグルコースやヘモグロビンなどである。さらに、光音響波を検出しその検出信号に基づいて光音響画像を生成する技術は、光音響イメージング（ＰＡＩ：Photoacoustic Imaging）或いは光音響トモグラフィー（ＰＡＴ：Photo Acoustic Tomography）と呼ばれる。
　被検体に照射されたレーザ光の強度は、被検体内を伝播する過程で吸収や散乱によって著しく減衰するため、上記のような光音響分光法を利用した計測（光音響計測）においては、通常大きな光エネルギーを有するレーザ光が使用される。そして、光音響計測装置１は、例えば図２０に示されるように、光音響計測用のプローブ４、このプローブ４にレーザ光Ｌを供給する光源ユニット３およびプローブ４で検出した光音響波の信号を処理する音響信号処理ユニット２を備える。また、使用の都合上、プローブ４と音響信号処理ユニット２は第１コネクタ５ａによって、プローブ４と光源ユニット３は第２コネクタ５ｂによってそれぞれ着脱可能となっている。プローブ４内には音響検出素子アレイ４ａが設けられ、音響検出素子アレイ４ａは制御信号線４ｃによって音響信号処理ユニット２の制御手段２ａと接続されている。光源３ａから出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ４ｂによってプローブ４の先端まで導光され、被検体Ｍに照射される。
　ところで、上記のようにプローブと光源ユニットが着脱可能である場合には、光源ユニットの筺体内部におけるレーザ光の伝送としては、光ファイバ等の導光部材を使用せず、空間伝送を採用することが多い。これは、光ファイバを使用して筺体内部の伝送を行った場合には、光ファイバが光エネルギーに耐えきれず破壊されてしまうためである。例えば図２０の光源ユニット３では、光源３ａから第２コネクタ５ｂまでの筺体内部におけるレーザ光Ｌの伝送は空間伝送によって行われている。
特開２０１０－１２２９５号公報
　しかしながら、上記のように筺体内部のレーザ光の伝送を空間伝送にした場合には、光源ユニットの筺体内部と筺体壁が温度変化および振動に伴ってそれぞれ異なる動きをするため、コネクタ受け部への光の入射位置がずれてしまい、伝送されるエネルギー量が安定せず、さらには伝送効率が低下してしまうという問題が生じる場合がある。この場合、結果的には導光部材を使用した光伝送よりも伝送効率が低下してしまう場合もある。
　本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光源ユニットの筺体内部における光伝送をより安定的に効率よく行うことを可能とする光源ユニットおよびそれを用いた光音響計測装置を提供することを目的とするものである。
　上記課題を解決するために、本発明に係る光源ユニットは、
　プローブの導光部にレーザ光を出射させる光源ユニットであって、
　導光部のコネクタ部と着脱可能なコネクタ受け部を有するユニット筺体と、
　ユニット筺体の内部に設置されたレーザ光を出力する光源と、
　光源から出力されたレーザ光を拡散させる拡散部と、
　拡散部によって拡散したレーザ光を集光する集光レンズ系と、
　集光レンズ系によって集光されたレーザ光をコネクタ受け部まで伝送する光ファイバを含む光伝送部とを備え、
　コネクタ受け部が光ファイバおよび導光部を光学的に接続するものであることを特徴とするものである。
　一方、本発明に係る光音響装置は、
　光音響波を発生させるために被検体に向かって出射されるレーザ光を導光する導光部を有するプローブと、
　導光部にレーザ光を出射させる光源ユニットとを備える光音響計測装置であって、
　光源ユニットが、
　導光部のコネクタ部と着脱可能なコネクタ受け部を有するユニット筺体と、
　ユニット筺体の内部に設置されたレーザ光を出力する光源と、
　光源から出力されたレーザ光を拡散させる拡散部と、
　拡散部によって拡散したレーザ光を集光する集光レンズ系と、
　集光レンズ系によって集光されたレーザ光をコネクタ受け部まで伝送する光ファイバを含む光伝送部とを備え、
　コネクタ受け部が光ファイバおよび導光部を光学的に接続するものであることを特徴とするものである。
　そして、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、光ファイバはシングルファイバであることが好ましい。
　また、光ファイバがシングルファイバである場合において、
　光伝送部は、光ファイバの光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものであり、
　集光レンズ系は、下記式１で規定されるレーザ光の最小ビーム径Ｄが光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／２以上となるようにレーザ光を集光するものであり、
　光ファイバの光入射側のコア端面は、レーザ光のビーム径がｄｉｎ／２以上である状態でレーザ光が入射するように配置されることが好ましい。この場合において、光伝送部は、光ファイバの端面近傍の側面が露出するように光ファイバを被覆する被覆部材を有するエアギャップ光ファイバケーブルであることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式１において、Ａは拡散部の種類によって定められる係数を表し、ｆは集光レンズ系の焦点距離を表し、φは拡散部に入射する際のレーザ光の拡がり角を表し、θは拡散部の拡散角を表す。
　「拡がり角」とは、レーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。また、拡散部の「拡散角」とは、設計上の拡散角、つまり平行光として当該拡散部に入射し透過したレーザ光のビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。なお、「拡がり角」および「拡散角」は平面角の全角で表すものとする。これらの角度を測定する場合には、あるビーム径から当該ビーム径の２．０倍のビーム径に拡がるまでの伝搬距離の範囲内でビーム径を１０点程度測定し、このときのビーム径の変化の傾きから求めることが好ましい。
　また「ビーム径」とは、レーザ光のエネルギープロファイルのうち、エネルギーのおよそ８６．５％が含まれビーム中心（通常は、ビーム強度の最大位置である）を中心とする円の直径、いわゆる１／ｅ２径とする。この場合、ビーム強度が不規則に分布すること等によりビーム中心を求めにくいときには、ビーム中心と推定される位置近傍でエネルギーが８６．５％となる円を網羅的に作成し、その中で面積が最小となる円の直径をビーム径としてもよい。
　或いは、光ファイバがシングルファイバである場合において、
　集光レンズ系は、上記式１で規定されるレーザ光の最小ビーム径Ｄが光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下となるようにレーザ光を集光するものであり、
　光ファイバの光入射側のコア端面は、レーザ光のビーム径がｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下である状態でレーザ光が入射するように配置されることが好ましい。
　また、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、拡散部は、微小なレンズが基板の表面にランダムに配置されたレンズ拡散板であることが好ましい。
　また、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、拡散部は、入射したレーザ光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するものであることが好ましい。
　また、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、拡散部はエンジニアード拡散板であり、上記式中の係数Ａは２．５である構成を採用できる。
　また、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、拡散部はホログラフィック拡散板であり、上記式中の係数Ａは２．４である構成を採用できる。
　また、本発明に係る光音響計測装置において、導光部はバンドルファイバであり、光ファイバの光出射側のコア径ｄｏｕｔとバンドルファイバのバンドル径Ｂとは下記式２を満たすことが好ましい。
０．８Ｂ≦ｄｏｕｔ≦１．２Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式２
　また、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置において、コネクタ受け部は、光ファイバの光出射側の第１光軸の方向が伏角を有するように光ファイバを保持するものであることが好ましい。
　さらに、第１光軸の方向が伏角を有する場合において、コネクタ部の挿入部が挿入されるコネクタ受け部の挿入路は、挿入部が挿入されるに従って、導光部の光入射側の第２光軸が第１光軸と一致するようにガイドするガイド構造を有することが好ましい。この場合において、ガイド構造が、挿入路の開口幅が挿入路の奥の幅よりも大きく、かつ挿入路の内壁面が開口側から奥に向かって湾曲したものであることが好ましい。また、挿入路の内壁面にはローラが設けられることが好ましい。
　本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置は、筺体内部におけるコネクタ受け部への光伝送を光ファイバによって行っているから、筺体内部と筺体壁が温度変化および振動に伴ってそれぞれ異なる動きをしてもコネクタ受け部への光の入射位置がずれることを防止することができる。さらに、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置は、レーザ光を一度拡散部に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的な光エネルギーが光ファイバの損傷閾値エネルギーを超えることによる光ファイバの損傷を防止することができる。この結果、光源ユニットの筺体内部における光伝送をより安定的に効率よく行うことが可能となる。
　さらに、レーザ光が光ファイバ内を伝送する間にレーザ光のエネルギープロファイルが均一化されるため、プローブの導光部に均一に光を伝送することが可能となるという効果も得られる。
第１の実施形態の光音響計測装置の構成を示す概略図である。 第１の実施形態の光音響計測装置の内部構成を示すブロック図である。 ユニット筐体内部の構成を示す概略図である。 拡散部、集光レンズ系および光ファイバケーブルからなる光学系の構成例を示す概略図である。 耐光エネルギー構造を端部に有する光ファイバの実施形態を示す概略断面図である。 耐光エネルギー構造を端部に有する光ファイバの他の実施形態を示す概略断面図である。 耐光エネルギー構造を端部に有する光ファイバの他の実施形態を示す概略断面図である。 拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。 拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。 （ａ）エンジニアード拡散板によってエネルギープロファイルがフラットトップ化された後、レンズで集光されたレーザ光のエネルギープロファイルを示す図である。（ｂ）ホログラフィック拡散板で拡散した後、レンズで集光されたレーザ光のエネルギープロファイルを示す図である。 レンズ拡散板および集光レンズ系の光学特性と最小ビーム径との関係を示すグラフである。 進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズ系に集光された場合において、集光範囲の直径および最小ビーム径の相関性を示すグラフである（エンジニアード拡散板を使用した場合）。 進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズ系に集光された場合において、集光範囲の直径および最小ビーム径の相関性を示すグラフである（ホログラフィック拡散板を使用した場合）。 拡散板および集光レンズ系の条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と一般的な光ファイバケーブルのコアの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。 拡散板および集光レンズ系の条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径とエアギャップ光ファイバケーブルのコアの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。 コネクタの構造の他の例を示す概略図である。 コネクタの構造の他の例を示す概略図である。 コネクタの構造の他の例を示す概略図である。 第２の実施形態の光音響計測装置の内部構成を示すブロック図である。 従来の光音響計測装置の構成を示す概略図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
　「第１の実施形態」
　図１は、第１の実施形態における光音響計測装置の構成を示す概略図であり、図２は、第１の実施形態の光音響計測装置の内部構成を示すブロック図である。また、図３は、ユニット筐体内部の一部の構成を示す概略図である。なお、本実施形態では、光音響計測装置は、光音響信号に基づいて光音響画像を生成する光音響画像生成装置であるとする。
　本実施形態の光音響画像生成装置１０は、図１に示されるように、プローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３およびパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１７から構成される。そして、レーザユニット１３から出射した光Ｌがプローブ１１を通って被検体Ｍに照射され、この光の照射に起因する光音響波がプローブ１１で検出される。
　＜プローブ＞
　プローブ１１は、図１および図２に示されるように、大きくプローブ本体１１ａ（プローブの本来的な機能が集約された部分）およびケーブル部１１ｂに分けることができる。そして、プローブ本体１１ａには、主に導光板４１、音響検出部４２およびこれらを収容する筺体４５が含まれる。一方、ケーブル部１１ｂには、主に光ファイバ４０および音響信号線４４が挿通されている。プローブ１１と超音波ユニット１２はコネクタ５０によって着脱可能に接続されており、プローブ１１とレーザユニット１３はコネクタ５１によって着脱可能に接続されている。
　光ファイバ４０は、レーザ光Ｌを出力するレーザユニット１３にコネクタ５１を介して光学的に接続されており、レーザ光Ｌを導光板４１まで導光する。光ファイバ４０は、本発明の導光部に相当する。光ファイバ４０は、特に限定されず、石英ファイバ等の公知のものを使用することができる。光ファイバ４０としては、シングルファイバを使用してもよいし、バンドルファイバを使用してもよいが、バンドルファイバの方がより好ましい。さらに、光ファイバ４０がバンドルファイバである場合には、当該バンドルファイバは、光入射側の端部が融着加工された融着バンドルファイバであることが好ましい。融着バンドルファイバでは、クラッド同士が融着されて六角形の蜂の巣状に光ファイバが束ねられ、接着剤を使用したバンドル加工と比較して、光ファイバ間の余分な間隙が無くなる。そのため、単位面積あたりのコアが占める面積が向上するという利点がある。また、バンドルファイバの入射端部に光エネルギーに弱い材料が表れないため、光エネルギーに対する耐久性も向上するという利点もある。
　導光板４１は、例えばアクリル板や石英板の表面に特殊な加工を施して、一方の端面から入れた光を他方の端面から均一に面発光させる板である。例えば本実施形態では２つの導光板４１が、音響検出部４２を挟んで対向するように配置されている。光ファイバ４０と導光板４１とは互いに光学的に結合されている。導光板４１は、図１に示されるように、例えば光ファイバ４０と結合された側が先細りのテーパー形状に形成される。これにより、光の照射範囲を広げることができる。
　音響検出部４２は、被検体からの音響波を検出し、検出した音響波の強度に応じた電気信号（音響信号）を生成する。なお本明細書において、「音響波」とは超音波および光音響波を含む意味である。ここで、「超音波」とは、圧電素子等の音響波発生装置の振動により被検体内に発生した弾性波およびその反射波を意味し、「光音響波」とは、光の照射による光音響効果により被検体内に発生した弾性波を意味する。音響検出部４２は、例えばバッキング材、音響検出素子アレイ、音響検出素子アレイの制御回路、音響整合層および音響レンズから構成される。音響検出素子アレイは、複数の音響検出素子が１次元的または２次元的に配列したものであり、実際に検出した音響波を電気信号に変換する。音響検出素子は、例えば、圧電セラミクス、またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような高分子フィルムから構成される圧電素子である。
　音響信号線４４は、音響検出部４２によって生成された音響信号を超音波ユニット１２へ伝送したり、超音波ユニット１２からの信号を音響検出素子アレイの制御回路へ伝送したりする電気的な信号線である。
　＜超音波ユニット＞
　超音波ユニット１２は、コネクタ５０を介して、プローブ１１から伝送された光音響信号を受信し、この光音響信号に基づいて光音響画像を生成する。超音波ユニット１２とレーザユニット１３は、制御信号線６２によって接続されている。超音波ユニット１２の詳細については後述する。
　コネクタ５０は、音響信号線４４と超音波ユニット１２の受信回路２１とを電気的に接続する接続部材である。このようなコネクタとしては、例えば公知の多芯コネクタを使用することができる。コネクタ５０は、プラグ５０ａ、およびこのプラグ５０ａに対応する構造を有しプラグ５０ａと着脱可能なレセプタクル５０ｂから構成される。
　制御信号線６２は、超音波ユニット１２の制御手段６０とレーザユニット１３の制御手段６１との間を接続する信号線であり、例えば電気的な信号線である。超音波ユニット１２およびレーザユニット１３は、この制御信号線６２を介して制御信号を送受信することによって互いに通信可能となる。本明細書において、制御信号を「送受信する」とは、超音波ユニット１２およびレーザユニット１３のうち一方から他方へ一方的に制御信号が送信されること、および両ユニットが双方的に制御信号を送信しまたは受信することを含む意味である。
　制御信号は、例えば、レーザ光の出力タイミングと光音響の検出タイミングとの同期をとるためのトリガ信号である。このトリガ信号は、レーザユニット１３が超音波ユニット１２へ送信する信号であってレーザ光を出力した旨を知らせる信号（つまり、レーザユニットが上位である設定におけるトリガ信号）であってもよいし、超音波ユニット１２がレーザユニット１３へ送信する信号であってレーザ光を出力する準備をしたり出力を実行したりするよう指示する信号（つまり、超音波ユニットが上位である設定におけるトリガ信号）であってもよい。
　＜レーザユニット＞
　レーザユニット１３は、レーザ光Ｌを発振する発振器３０、拡散部８０、集光レンズ系８１、光ファイバケーブル８２およびこれらを収容するユニット筺体１３ｂを有し、被検体Ｍに照射する光としてレーザ光Ｌを出射する。レーザユニット１３は、本発明における光源ユニットに相当する。レーザユニット１３は、例えば、超音波ユニット１２の制御手段６０からのトリガ信号を受けてレーザ光Ｌを出射するように構成されている。レーザユニット１３が出射するレーザ光Ｌは、例えば光ファイバ４０などの導光部を用いてプローブ１１の導光板４１まで導光される。レーザユニット１３の底面には、容易に移動可能となるように、キャスター１３ａが設けられている。また、ユニット筺体１３ｂは、コネクタ５１を構成するレセプタクル５１ｂを有する。
　本実施形態では、コネクタ５１によって接続された光ファイバ４０の端部にレーザ光Ｌが入射するように、レーザユニット１３内の光学系が構成されている。すなわち、発振器３０から出力されその後拡散部８０に入射したレーザ光Ｌは、集光レンズ系８１を経由して光ファイバケーブル８２の入射側の端部８２ｅに入射する。その後、光ファイバケーブル８２によって伝送されたレーザ光Ｌは、コネクタ５１においてプローブ１１の光ファイバ４０に出射される。以下、上記光学系について詳細に説明する。
　発振器３０の構造は、特に限定されないが例えば図３に示されるように、レーザロッド７０、励起ランプ７１、レーザチャンバ７２、出力ミラー７３、全反射ミラー７４、Ｑスイッチ３２およびこれらを収容する筐体７８から構成される。本実施形態において、発振器３０は本発明における光源に相当する。レーザロッド７０は、活性固体媒体を含む固体素子であり、アレキサンドライトであることが好ましい。励起ランプ７１は、レーザロッド７０が誘導放出するためのエネルギーを供給する光源である。励起ランプ７１は、例えば、Ｘｅガスが封入された棒状のフラッシュランプを採用することができる。レーザチャンバ７２は、レーザロッド７０および励起ランプ７１を包含し、励起ランプ７１から放射された光をレーザロッド７０へ集光するための部材である。レーザチャンバ７２は、配管７９ａから流入した冷却液がレーザチャンバ７２の内部を通り、その後配管７９ｂから流出するように構成されている。Ｑスイッチ３２は、誘導放出された光Ｌｏの光軸上であって、レーザロッド７０と全反射ミラー７４との間に配置されている。Ｑスイッチ３２は、例えばλ／４板７５、ポッケルスセル７６およびポラライザ７７から構成される。筐体７８は、出力ミラー７３に対向する部分の側壁にレーザ光Ｌｏを取り出すための開口７８ａを有する。なお、発振器３０は、必要に応じてその他の光学素子を備えることができる。
　本実施形態では、一例として上記の発振器３０は、Ｑスイッチアレキサンドライトレーザである。発振器３０は、レーザ光Ｌとして１～１５０ｎｓｅｃのパルス幅を有するパルス光を出力するものであることが好ましい。この場合、レーザ光Ｌのパルス幅は、例えばＱスイッチによって制御される。レーザ光の波長は、計測の対象となる被検体内の物質の光吸収特性によって適宜決定される。例えば計測対象が生体内のヘモグロビンである場合（つまり、血管を撮像する場合）には、一般的にはその波長は近赤外波長域に属する波長であることが好ましい。近赤外波長域とはおよそ７００～８５０ｎｍの波長域を意味する。しかしながら、レーザ光の波長は当然これに限られるものではない。また、レーザ光Ｌは、単波長でもよいし、複数の波長（例えば７５０ｎｍおよび８００ｎｍ）を含んでもよい。さらに、レーザ光Ｌが複数の波長を含む場合には、これらの波長の光は、同時に被検体Ｍに照射されてもよいし、交互に切り替えられながら照射されてもよい。発振器３０は、アレキサンドライトレーザの他、同様に近赤外波長域のレーザ光を出力可能なＹＡＧ－ＳＨＧ－ＯＰＯレーザやＴｉ－Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザとすることもできる。
　拡散部８０は、発振器３０から出力されたレーザ光Ｌを拡散させてレーザ光Ｌのビーム径を大きくする。つまり拡散部８０は、レーザ光Ｌを一度拡散部に通すことによりレーザ光Ｌに含まれる光束の伝播角度の分布を拡げる機能を果たす。これにより、拡散部８０の発光面がレーザ光Ｌの２次光源となるため、集光レンズ系８１によりレーザ光Ｌが集光される際、レーザ光Ｌが絞られすぎることを防止できる。拡散部８０は、発振器３０から出力されたレーザ光Ｌを受ける位置に配置される。なお、発振器３０と拡散部８０との間に、必要に応じてその他の光学素子を備えることができる。
　拡散部８０は、拡散板であることが好ましく、特にレンズ拡散板であることが好ましい。また、拡散部８０の拡散角は０．２～５．０°であることが好ましく、０．４～３．０°であることがより好ましい。拡散効率が高いためである。例えば拡散部８０は、微小な凸レンズが基板の表面（例えば片面）にランダムに配置されたレンズ拡散板であるホログラフィック拡散板を採用することができる。このようなホログラフィック拡散板としては、例えば、Ｅｄｍｕｎｄｓ社製（型番：４８５１３－Ｌ、材質：石英、拡散角：０．５°、透過効率：９３％）を使用することができる。
　また、拡散部８０はホモジナイザであることが好ましい。ホモジナイザは、光学系の上流側から入射したレーザ光Ｌのエネルギープロファイル（エネルギー分布）をフラットトップ化するとともにレーザ光Ｌを拡散させる光学要素である。フラットトップ化されたレーザ光Ｌは、集光レンズ系８１へ導光され、フラットトップなエネルギープロファイルを有する状態で光ファイバケーブル８２の入射側端部８２ｅに入射する。エネルギープロファイルを「フラットトップ化する」とは、言い換えれば、ホモジナイザに入射したレ－ザ光を、中心付近がフラットトップなエネルギープロファイルを有するものに成形することである。本明細書において「フラットトップ」とは、ホモジナイザから出射したレーザ光のエネルギープロファイルにおいて直径がビーム径の８０％である同心円を取り、この同心円内の各点のエネルギーについて標準偏差を求めた場合に、この標準偏差がこの同心円内における平均エネルギーの２５％以内である状態を意味する。通常、ホモジナイザは、無限遠において光が完全にフラットトップ（つまり上記標準偏差がほぼ０に等しい）となるように構造設計されている。しかしながら、本発明においてレーザ光が光ファイバケーブル８２の入射側端部８２ｅに入射する際のエネルギープロファイルは、必ずしも完全にフラットトップな状態である必要はなく、上記範囲の程度においてフラットトップな状態であれば足りる。レーザ光Ｌのエネルギープロファイルがフラットトップ化されることにより、局所的に光強度が強くなることがさらに防止され、光ファイバケーブル８２の損傷もさらに抑制される。
　ホモジナイザは、単一の光学素子から構成されてもよいし、複数の光学素子が組み合わされて構成されてもよい。ホモジナイザを単一の光学素子から構成する場合には、ホモジナイザとして、微小な凹レンズ等が基板の表面（例えば片面）にランダムに配置されたレンズ拡散板を使用することが好ましい。このようなレンズ拡散板としては、例えば、ＲＰＣ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社製のエンジニアード拡散板（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｄｉｆｆ
ｕｓｅｒｓ）（型番：ＥＤＣ－２．０－Ａ、拡散角：２．０°)を使用することができる
。このような素子を用いることにより、レーザ光Ｌのエネルギープロファイルおよび形状をほぼ任意に変化させることができる。このように、ホモジナイザを単一の光学素子から構成した場合には、拡散部の構成を簡易にすることができる。
　一方、ホモジナイザを複数の光学素子から構成する場合にも、上記拡散板と同様に光線の角度分布を制御して集光後のビーム径を所定の値に調整できる効果があれば良く、例えば次のような構成が挙げられる。図４は、拡散部８０の光学系の構成例を示す概略図である。拡散部８０としてのホモジナイザは、例えばマイクロレンズアレイＡ８５およびマイクロレンズアレイＢ８６を図４ａに示されるように配置して構成することができる。また、ホモジナイザは、図４ｂに示されるように例えばビームエネルギープロファイルや角度分布を補正するような非球面レンズが組み込まれたフラットトップレーザビームシェーバー９２により構成することもできる。
　集光レンズ系８１は、拡散部８０を通過したレーザ光Ｌを光ファイバケーブル８２の入射側端部８２ｅに導光するためのものである。集光レンズ系８１の焦点距離（光ファイバケーブル８２側の主点と焦点との距離）は、１０～１００ｍｍであることが好ましく、１５～５０ｍｍであることがより好ましい。光学系の小型化が可能であり、コアが石英からなりクラッドがフッ素ドープ石英からなる一般的な光ファイバの開口数ＮＡ（最大で０．２２程度）に焦点距離を整合させるためである。また、集光レンズ系８１は、複数のレンズから構成される結合系レンズとすることもできる。集光レンズ系８１が結合系レンズである場合には、集光レンズ系８１の焦点距離とは、当該結合系レンズの合成焦点距離をいう。
　拡散部８０および集光レンズ系８１の距離は、拡散部８０によって拡散されたレーザ光Ｌが効率よく集光レンズ系８１と結合されるように適宜調整される。このとき、拡散部８０は、集光レンズ系８１に対して光学系の上流側かつ集光レンズ系８１の中心から焦点距離の３倍の範囲内に配置されることが好ましい。
　光ファイバケーブル８２は、集光レンズ系８１により集光されたレーザ光Ｌを後述するレセプタクル５１ｂに伝送するものである。光ファイバケーブル８２は、本発明における光伝送部に相当する。なお、本発明における光伝送部は、光ファイバとこれを被覆する被覆部材とからなる光ファイバケーブルである必要はなく、光ファイバのみによって構成されてもよい。光ファイバケーブル８２は、レセプタクル５１ｂに固定されてもよいし、着脱可能となるように構成されてもよい。少なくともレーザ光Ｌが光ファイバケーブル８２から出射するとき、光ファイバケーブル８２をレセプタクル５１ｂに固定することができれば、本発明の目的は達成可能である。光ファイバケーブル８２は、例えばコアおよびクラッドから構成される光ファイバと、当該光ファイバの周囲を被覆するフェルールおよびシース等の被覆部材とを備える。光ファイバケーブル８２は、シングルファイバでもよいしバンドルファイバでもよい。しかしながら、バンドルファイバの場合には結合損失が大きいことからシングルファイバであることが好ましい。光ファイバケーブル８２がシングルファイバである場合において、その光ファイバのコア径は１００～２０００μｍであることが好ましく、２００～１２００μｍであることがより好ましい。光ファイバケーブル８２中の光ファイバは、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。光ファイバケーブル８２としては、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＳＭＡ型光ファイバを使用することができる。
　さらに、光ファイバケーブル８２は、光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有することが好ましい。本明細書において、「耐光エネルギー構造」とは、レーザ光のエネルギーによる損傷を抑制するための構造を意味する。具体的には、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブル８２としては、いわゆるエアギャップ８８を有するエアギャップ光ファイバケーブルを使用することができる。エアギャップ光ファイバケーブルとしては、例えば、クラッド８４ｂの損傷閾値エネルギー密度（レーザ光のエネルギーによりその構造が損傷し始める単位面積当たりのエネルギーの大きさ）がコア８４ａの損傷閾値エネルギー密度と同程度である光ファイバ８２ａ(例えばコアが石英から構成され、クラッドがフッ素ドープ石英から構成される光ファイバ等)とクラッド８４ｂの端面近傍の側面が露出するように当該光ファイバ８２ａを被覆するフェルール８７ａとを備えた光ファイバケーブル８２（図５）、端面近傍のクラッドが除去されてコアの端面近傍の側面が露出している光ファイバとコアの端面近傍の側面が露出するように当該光ファイバを被覆するフェルールとを備えた光ファイバケーブル、および、損傷閾値エネルギー密度がコア８４ａの損傷閾値エネルギー密度と同程度である材料（石英等）から構成された部材８８ａが端部に接続された構造（エンドキャップ構造)を有する光ファイバ８２ａと当該部材８８ａの側面が露出するように当該光ファイバ８２ａを被覆するフェルール８７ａとを備えた光ファイバケーブル８２（図６）を使用することができる。
　光ファイバケーブル８２がその端面の近傍におけるコア８４ａ又はクラッド８４ｂの側面が露出する構造のエアギャップ光ファイバケーブルである場合には、コア８４ａ又はクラッド８４ｂが露出する範囲は、その末端から１～３ｍｍであることが好ましい。１ｍｍ以上としたのは、コアの外側に外れた光のエネルギー密度が低下してコア８４ａ又はクラッド８４ｂの周囲の材料に吸収されるエネルギーが当該材料の損傷閾値エネルギー未満となるように、光ファイバケーブル８２の末端からコア８４ａ又はクラッド８４ｂの周囲の材料までの距離をとる必要があるためである。また、３ｍｍ以下としたのは、光ファイバケーブル８２の端面の光入射面を研磨する際に撓んで折れる等による損傷が生じないようにするためである。光ファイバケーブル８２中の光ファイバ８２ａは、特に限定されないが石英ファイバであることが好ましい。エアギャップ光ファイバケーブルは、例えば市販のエアギャップフェルールに石英ファイバを挿入し接着固定後、端面を研磨することにより製作できる。
　さらに、耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブル８２としては、コア８４ａ／クラッド８４ｂ構造の光ファイバ８２ａと、当該光ファイバを被覆するフェルール８７ｂであって損傷閾値エネルギー密度がコア８４ａの損傷閾値エネルギー密度と同等以上である材料（石英、ジルコニア、サファイヤ等）から構成されたフェルール８７ｂとを備え、光ファイバ８２ａの側面とフェルール８７ｂの内周面とが端面近傍以外の部分で接着剤により固定された光ファイバケーブル８２（図７）を使用することもできる。図７に示された光ファイバケーブル８２において、「端面近傍」とは、光エネルギーによる接着剤の損傷および接着固定の強度の観点から、１～３ｍｍであることが好ましい。
　なお、図５から図７に示された光ファイバケーブル８２において、光ファイバ８２ａとフェルール８７ａまたは８７ｂとは接着剤８２ｃで互いに固定される。
　光ファイバケーブル８２は、例えば、その中の光ファイバの入射端が集光レンズ系８１の焦点に位置するように位置調整される。光ファイバケーブル８２の位置の微調整を可能にするため、光ファイバケーブル８２をその光軸方向に移動せしめる光ファイバケーブル位置調整部を設けてもよい。このようにすることで、フラットトップ性を損ねない範囲で、焦点位置近傍での位置を調整することが可能となり、さらには入射側端部８２ｅに入射する際のビーム径を微調整することも可能となる。
　光伝送部（光ファイバケーブル８２）側の光ファイバ８２ａのコア径の大きさをプローブ１１側の光ファイバ４０の径の大きさと同程度か少し小さくし、光ファイバ８２ａの光出射端面と光ファイバ４０の光入射端面とを近接して配置することにより、光ファイバ周囲に光が広がらず、これらの光ファイバ８２ａおよび４０の接続における損失を抑制することができる。これにより、シングルファイバの光出射側においてもエネルギーの伝送効率が向上するという効果が得られる。
　特に、プローブ１１側の光ファイバ４０（導光部）がバンドルファイバである場合には、光伝送部側の光ファイバ８２ａの光出射側のコア径ｄｏｕｔとバンドルファイバのバンドル径Ｂとは下記式３を満たすことが好ましい。バンドル径とは、バンドルファイバ中の複数の光ファイバのうち、最も離れた光ファイバ同士のそれぞれのコア外周上での最大距離を意味する。
０．８Ｂ≦ｄｏｕｔ≦１．２Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式３
　この理由は以下の通りである。本発明においては、光ファイバ８２ａ内部でレーザ光が反射を繰り返すことでレーザ光のエネルギープロファイルがフラットトップ化されるという利点（第２の効果）もある。これは、特にプローブ１１側の光ファイバ４０がバンドルファイバである場合には、バンドルファイバに含まれる各ファイバ素線に同程度のエネルギーを入射させることが可能となるため、よりプローブ先端での光分布の均一性を保つことができるという効果をもたらす。本発明者が実験を行ったところ、光ファイバを経由せずに、エンジニアード拡散板（ホモジナイザ）および集光レンズによりフラットトップ化したレーザ光を直接バンドルファイバに入射させた場合には、光源からバンドルファイバの出射側端部までの系全体のエネルギー伝送効率はたかだか５０％程度であった。一方、ホログラフィック拡散板および集光レンズを経由したレーザ光を、シングルファイバを伝送させてフラットトップ化した後、バンドルファイバに入射させた場合には、ホモジナイザを使用しなくても、上記伝送効率は驚くべきことに最大で６１％程度にまで向上した。特に、シングルファイバのコア径ｄｏｕｔとバンドルファイバのバンドル径Ｂとの関係において０．８Ｂ≦ｄｏｕｔ≦１．２Ｂを満たすようにした場合に、プローブ１１側の光ファイバ４０がシングルファイバである場合における伝送効率に対する優位性と、上記光分布の均一性とが両立される。
　コネクタ５１は、光ファイバ４０とユニット筺体１３ｂ内部の光学系とを光学的に接続する接続部材である。このようなコネクタとしては、例えば公知の光コネクタを使用することができる。コネクタ５１は、プラグ５１ａ、およびこのプラグ５１ａに対応する構造を有しプラグ５１ａと着脱可能なレセプタクル５１ｂから構成される。プラグ５１ａおよびレセプタクル５１ｂは、それぞれ本発明におけるコネクタ部およびコネクタ受け部に相当する。なお、レセプタクル５１ｂ自体が、光ファイバケーブル８２の出射側端面および光ファイバ４０の入射側端面を接続する光学部材を有していてもよい。
　＜ＰＣ＞
　ＰＣ１７は、入力手段１６としてのユーザインターフェイス、および画像表示手段１４としてのモニタを有し、ケーブル１７ａによって超音波ユニット１２と接続されている。ユーザは、ＰＣ１７を使用して光音響計測の条件の入力や光音響画像の確認を行うことができる。なお、ＰＣは超音波ユニットと一体化していてもよい。
　次に、超音波ユニットの詳細な構成と光音響画像の生成工程を説明する。
　超音波ユニット１２は、図２に示されるように、受信回路２１、ＡＤ変換手段２２、受信メモリ２３、光音響画像再構成手段２４、検波・対数変換手段２７、光音響画像構築手段２８、制御手段６０、画像合成手段３８および観察方式選択手段３９を有する。
　制御手段６０は、光音響画像生成装置１０の各部を制御するものであり、本実施形態ではトリガ制御回路６６を備える。トリガ制御回路６６は、例えば光音響画像生成装置の起動の際に、レーザユニット１３の制御手段６１に制御信号として光トリガ信号を送る。これによりレーザユニット１３で、フラッシュランプ３１が点灯し、レーザロッドの励起が開始され、レーザ出力のための準備が開始される。そして、レーザロッドの励起状態は維持され、レーザユニット１３はパルスレーザ光を出力可能な状態となる。
　そして、制御手段６０は、その後トリガ制御回路６６からレーザユニット１３の制御手段６１へ制御信号としてＱスイッチトリガ信号を送信する。Ｑスイッチトリガ信号を受信した制御手段６１は、Ｑスイッチ３２を制御してレーザ光Ｌを出力させる。つまり、制御手段６０は、このＱスイッチトリガ信号によってレーザユニット１３からのパルスレーザ光の出力タイミングを制御している。また本実施形態では、制御手段６０は、Ｑスイッチトリガ信号の送信と同時にサンプリングトリガ信号をＡＤ変換手段２２に送信する。サンプリングトリガ信号は、ＡＤ変換手段２２における光音響信号のサンプリングの開始タイミングの合図となる。このように、サンプリングトリガ信号を使用することにより、レーザ光の出力と同期して光音響信号をサンプリングすることが可能となる。
　受信回路２１は、プローブ１１で生成された光音響信号を受信する。受信回路２１で受信された光音響信号はＡＤ変換手段２２に送信される。
　ＡＤ変換手段２２は、サンプリング手段であり、受信回路２１が受信した光音響信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。例えば、ＡＤ変換手段２２は、サンプリング制御部およびＡＤ変換器を有する。受信回路２１によって受信された受信信号は、ＡＤ変換器によってデジタル化されたサンプリング信号に変換される。ＡＤ変換器は、サンプリング制御部によって制御されており、サンプリング制御部がサンプリングトリガ信号を受信したときに、サンプリングを開始するように構成されている。ＡＤ変換手段２２は、例えば外部から入力する所定周波数のＡＤクロック信号に基づいて、所定のサンプリング周期で受信信号をサンプリングする。
　受信メモリ２３は、ＡＤ変換手段２２でサンプリングされた光音響信号（つまり上記サンプリング信号）を記憶する。そして、受信メモリ２３は、光音響信号を光音響画像再構成手段２４に出力する。
　光音響画像再構成手段２４は、受信メモリ２３から光音響信号を読み出し、プローブ１１の音響検出部４２で検出された光音響信号に基づいて、光音響画像の各ラインのデータを生成する。光音響画像再構成手段２４は、例えばプローブ１１の６４個の音響検出素子からのデータを、音響検出素子の位置に応じた遅延時間で加算し、１ライン分のデータを生成する（遅延加算法）。光音響画像再構成手段２４は、遅延加算法に代えて、ＣＢＰ法（Circular Back Projection）により再構成を行ってもよい。あるいは光音響画像再構成手段２４は、ハフ変換法又はフーリエ変換法を用いて再構成を行ってもよい。
　検波・対数変換手段２７は、各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
　光音響画像構築手段２８は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、１フレーム分の光音響画像を構築する。光音響画像構築手段２８は、例えば光音響信号（ピーク部分）の時間軸方向の位置を光音響画像における深さ方向の位置に変換して光音響画像を構築する。
　観察方式選択手段３９は、光音響画像の表示態様を選択するものである。光音響信号についてのボリュームデータの表示態様としては、例えば三次元画像としての態様、断面画像としての態様および所定の軸上のグラフとしての態様が挙げられる。いずれの態様によって表示するかは、初期設定或いはユーザによる入力手段１６からの入力に従って選択される。
　画像合成手段３８は、順次取得された光音響信号を使用して、ボリュームデータを生成する。ボリュームデータの生成は、それぞれの光音響信号の信号値を、光音響画像のフレームごとに関連付けられた座標および光音響画像中の画素座標に従って、仮想空間に割り当てることにより行う。信号値を割り当てる際に、割り当てる場所が重複する場合には、その重複する場所の信号値として例えばそれらの信号値の平均値またはそれらのうちの最大値が採用される。また、必要に応じて、割り当てられる信号値がない場合には、その周辺の信号値を用いて補間することが好ましい。さらに、画像合成手段３８は、生成されたボリュームデータに必要な処理（例えばスケールの補正およびボクセル値に応じた色付け等）を施す。
　また、画像合成手段３８は、観察方式選択手段３９によって選択された観察方式に従って光音響画像を生成する。選択された観察方法に従って生成された光音響画像が、画像表示手段１４に表示するための最終的な画像（表示画像）となる。
　画像表示手段１４は、画像合成手段３８によって生成された表示画像を表示するものである。
　＜作用効果＞
　本実施形態の光音響画像生成装置の作用効果について以下説明する。
　前述したように、ユニット筺体１３ｂ内部のレーザ光の伝送を空間伝送にした場合には、コネクタ受け部（レセプタクル５１ｂ）へのレーザ光の入射位置がずれてしまい、伝送されるエネルギー量が安定せず、さらには伝送効率が低下してしまうという問題がある。そこで、本発明では、レーザ光Ｌの入射位置のずれを防止するために、レセプタクル５１ｂへの伝送を光ファイバケーブル８２（光ファイバ）により行う。このとき、光ファイバケーブル８２の一端は筺体内部の光学系に対して固定され、もう一端はレセプタクル５１ｂに対して固定される。このようにすれば、ユニット筺体１３ｂ内の発振器３０と筺体壁が温度変化等に伴ってそれぞれ異なる動きをしたとしても、レーザ光Ｌのレセプタクル５１ｂへの入射位置がずれることがなくなる。
　ただし、単に光ファイバ伝送にしただけでは、大きな光エネルギー（１ｍＪ以上）を必要とする光音響計測において、光ファイバケーブル８２の破壊という問題を回避することはできない。
　そこで、本発明ではさらに、レーザ光Ｌを一度拡散部８０に通すことによりレーザ光Ｌに含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバケーブル８２に入射する際のビーム径を集光レンズ系８１の焦点距離により制御することによって、集光レンズ系８１で集光されたレーザ光が光ファイバに入射する際にレーザ光が絞られすぎることを防止している。
　そして本実施形態において、光ファイバケーブル８２が光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものである場合には、集光レンズ系８１は、下記式４で規定されるレーザ光Ｌの最小ビーム径Ｄ（つまり、焦点面における集光焦点ビーム径）が光ファイバケーブル８２の光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／２以上となるようにレーザ光を集光するものであり、光ファイバケーブル８２の光入射側のコア端面は、レーザ光のビーム径がｄｉｎ／２以上である状態でレーザ光Ｌが入射するように配置されることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　式４において、Ａは拡散部８０の種類によって定められる係数を表し、ｆは集光レンズ系８１の焦点距離を表し、φは拡散部８０に入射する際のレーザ光Ｌの拡がり角を表し、θは拡散部８０の拡散角を表す。ここで、「拡がり角」とは、レーザ光Ｌのビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。また、拡散部８０の「拡散角」とは、設計上の拡散角、つまり平行光として拡散部８０に入射し透過したレーザ光Ｌのビーム径が伝搬に伴い拡がる角度を意味する。なお、「拡がり角」および「拡散角」は平面角の全角で表すものとする。これらの角度を測定する場合には、あるビーム径から当該ビーム径の２．０倍のビーム径に拡がるまでの伝搬距離の範囲内でビーム径を１０点程度測定し、このときのビーム径の変化の傾きから求めることが好ましい。さらに、「ビーム径」とは、レーザ光Ｌのエネルギープロファイルのうち、エネルギーのおよそ８６．５％が含まれビーム中心（通常は、ビーム強度の最大位置である）を中心とする円の直径、いわゆる１／ｅ２径とする。この場合、ビーム強度が不規則に分布すること等によりビーム中心を求めにくいときには、ビーム中心と推定される位置近傍でエネルギーが８６．５％となる円を網羅的に作成し、その中で面積が最小となる円の直径をビーム径としてもよい。
　ビーム径Ｄを光ファイバ８２ａのコア径ｄｉｎの１／２以上としたのは、ビーム径が絞られることによりエネルギーが集中して光ファイバ８２ａのコア８４ａが損傷すること（コア損傷モード）を抑制するためである。また、ビーム径が光ファイバ８２ａのコア径の１／２以上とする範囲において、端部に耐光エネルギー構造を有する光ファイバを使用する利点が大きくなるためでもある。
　一方、光ファイバケーブル８２が光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものでない場合には、集光レンズ系８１は、レーザ光Ｌの最小ビーム径Ｄが光ファイバケーブル８２の光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下となるようにレーザ光を集光するものであり、光ファイバケーブル８２の光入射側のコア端面は、レーザ光Ｌのビーム径がｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下である状態でレーザ光Ｌが入射するように配置されることが好ましい。
　ビーム径Ｄを光ファイバ８２ａのコア径ｄｉｎの１／３以上としたのは、ビーム径が絞られることによりエネルギーが集中してコア損傷モードが生じることを抑制するためである。
　また、ビーム径Ｄを光ファイバ８２ａのコア径ｄｉｎの２／３以下としたのは、ビーム径Ｄが広がることにより光ファイバ８２ａのコアの周囲の部材がレーザ光のエネルギーを吸収して当該部材が損傷し、損傷した部位から塵およびガス等の放出物が放出されることを抑制するためである。このような放出物は、光ファイバの端面に付着して端面付近におけるコアの破壊を誘発し、エネルギーの伝送を阻害するといった問題（周囲損傷モード）の原因となりうる。つまり、ビーム径を光ファイバのコア径の２／３以下としたのは上記のような周囲損傷モードの発生を抑制するためである。コアの周囲の部材とは、例えば樹脂製のクラッド、クラッド外表を被覆する接着剤および被膜、並びに、さらにその外周を覆う金属製フェルール等の被覆部材を意味する。
　以下、レーザ光Ｌのビーム径Ｄの制御および上記数値範囲についてより詳細に説明する。
　図８は拡散板で拡散したレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図であり、図９は、拡散板を使用せずレーザ光を集光レンズ系で集光した場合におけるレンズ焦点位置でのビームのエネルギープロファイルを示す図である。図８および図９において、どちらも集光レンズ系の８１の焦点距離は２５ｍｍであるが、拡散板を使用した方の最小ビーム径は３３０μｍとなり、拡散板を使用しなかった方の最小ビーム径（３１μｍ）よりも大きいことがわかる。通常、発振器から出力されたときのレーザ光の拡がり角φは小さい（大きくても０．１５°程度）ため、集光されたレーザ光は光ファイバケーブル８２の入射端で小さく絞られてしまう。この結果、光ファイバケーブル８２の入射端でレーザ光のエネルギーが集中してしまい、光ファイバケーブル８２の端面におけるコアの損傷が生じる。また、図１０ａは、ホモジナイザによってエネルギープロファイルがフラットトップ化された後、レンズで集光されたレーザ光Ｌの焦点面におけるエネルギープロファイルを示す図である。また図１０ｂは、ホモジナイザを使用せずに、ホログラフィック拡散板を用いてレーザ光を拡散させた後、レンズで集光させたレーザ光の焦点面におけるエネルギープロファイルを示す図である。図１０から、図１０ａにおけるレーザ光の最小ビーム径Ｄ１に対する半値全幅Ｗ１の割合が、図１０ｂにおけるレーザ光の最小ビーム径Ｄ２に対する半値全幅Ｗ２の割合と比較して、大きくなっていることが分かる。このようなフラットトップ化したプロファイルにすることで、さらにエネルギーの局所集中を抑制し、より高いエネルギーのビームが入射しても光ファイバの損傷を防ぐことができる。
　そこで、本発明では、拡散部８０でレーザ光Ｌを拡散することにより、レーザ光Ｌのレンズ焦点位置でのビーム径を制御している。図１１は、例えばレンズ拡散板（エンジニアード拡散板）および集光レンズ系の光学特性と最小ビーム径との関係を示すグラフである。当該グラフ中の横軸は、レンズ拡散板の拡散角（ｄｅｇ．）を表し、縦軸は最小ビーム径の直径（μｍ）を表す。また、当該グラフ中の丸形のプロットは集光レンズ系の焦点距離が１００ｍｍの場合のデータを示し、正方形のプロットは集光レンズ系の焦点距離が５０ｍｍの場合のデータを示し、三角形のプロットは集光レンズ系の焦点距離が２５ｍｍの場合のデータを示す。図１１から、拡散板および集光レンズ系の光学特性を調整することにより、最小ビーム径を調整できることがわかる。なお、エンジニアード拡散板のようなホモジナイザ以外の拡散板（例えばホログラフィック拡散板）についても、レンズ拡散板の拡散角に対する最小ビーム径の直径の変化の傾向は同様である。
　本発明は、集光レンズ系の光軸との成す角度がαとなる方向に進行する平行光が焦点距離ｆの当該集光レンズ系に入射した場合、当該平行光が集光される集光点の位置がその集光レンズ系の焦点の位置からずれて、その集光点とその焦点との距離がｆ・ｔａｎαで近似することができる原理を、ビーム径の制御方法において利用した発明である。
　したがって、集光レンズ系に入射するレーザ光束の進行方向と集光レンズ系の光軸との成す角度が分布を持つ場合には、それぞれの角度に対応した位置にレーザ光束が集光されるため、それぞれの角度に対応した集光点を重ね合わせたレーザ光全体の集光範囲は大きくなる。例えば集光レンズ系の上流側に拡散板を配置した場合には、拡散板入射前におよそφ／２以内であったレーザ光束の上記角度分布は、拡散板透過後には半角でおよそ√（（φ／２）２＋（θ／２）２）以内に拡がるため、これに対応してその後集光レンズ系により集光されたレーザ光全体の集光範囲は、拡散板を透過しなかった場合に比べてさらに大きくなる。
　そして、集光範囲のうちレーザ光の１／ｅ２径をビーム径としたことを考慮すると、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）２＋（θ／２）２））および最小ビーム径Ｄは互いに一定の相関性を有することが推定される。
　図１２は、進行方向と集光レンズの光軸との成す角度が分布を持つレーザ光束が当該集光レンズに集光された場合において、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）２＋（θ／２）２））および実験的に得られた実際の最小ビーム径Ｄの相関性を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有するエンジニアード拡散板に、波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより当該レーザ光を集光した場合における集光範囲をビームプロファイラ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製のＬａｓｅｒＣａｍ－ＨＲ）で測定した実験結果である。なお、拡散板の拡散角を求める際にも同じビームプロファイラで測定した。グラフ中の５点の丸形のプロットは、焦点距離ｆが１００ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０．２５、０．５０、１．０２、２．０５および３．１５°である。また、グラフ中の５点の四角形のプロットは、焦点距離ｆが５０ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０．２５、０．５０、１．０２、２．０５および３．１５°である。また、グラフ中の５点の三角形のプロットは、焦点距離ｆが２５ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０．２５、０．５０、１．０２、２．０５および３．１５°である。
　図１２から最小ビーム径Ｄは集光範囲の直径に対して一次関数の関係にあることがわかる。そして、グラフ中の一次関数の傾きはおよそ１．２５であった。したがって、例えばエンジニアード拡散板についての上記式４の係数Ａが２.５で与えられる。
　また、図１３は、同様に、集光範囲の直径２ｆ・ｔａｎ（√（（φ／２）２＋（θ／２）２））および実験的に得られた実際の最小ビーム径Ｄの相関性を示すグラフであり、ホログラフィック拡散板を使用して得られたグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有するホログラフィック拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより当該レーザ光を集光した場合における集光範囲をビームプロファイラで測定した実験結果である。グラフ中の３点の丸形のプロットは、焦点距離ｆが４０ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０（つまり拡散板なし）、０．６５、および０．９５°である。また、グラフ中の５点の菱形のプロットは、焦点距離ｆが２５ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５および１．３５°である。また、グラフ中の３点の四角形のプロットは、焦点距離ｆが１８．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５および１．８０°である。また、グラフ中６点の三角形のプロットは、焦点距離ｆが１５．３ｍｍである集光レンズと拡散板との組み合わせからなる光学系で測定した結果であり、拡散板の拡散角θは左下のプロットからそれぞれ０、０．６５、０．９５、１．１５、１．３５および１．８０°である。
　図１３においては、グラフ中の一次関数の傾きはおよそ１．２であった。したがって、例えばホログラフィック拡散板についての上記式４の係数Ａが２.４で与えられる。
　つまり、所定のレーザ光について、上記実験に用いた焦点距離および拡散角に限らず、焦点距離ｆおよび拡散角θを適当に設定することにより、任意のビーム径Ｄを作ることが可能であると言える。したがって、上記の関係を用いてレーザ光Ｌのビーム径Ｄを制御することにより、光ファイバケーブル８２中の光ファイバ８２ａのコア８４ａの損傷閾値エネルギー密度を越えないように高エネルギーのレーザ光Ｌを光ファイバケーブル８２によって伝送することが可能となる。
　例えば図１４は、拡散板および集光レンズの条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板に波長が５３２ｎｍ、パルス幅が３．５ｎｓ、拡散板に入射する際のビーム径が３．５ｍｍ、拡がり角φが０．１３°のレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズにより光ファイバケーブル（コア径６００μｍまたは４００μｍ）の端面に当該レーザ光を集光し、コア損傷モードまたは周囲損傷モードが生じ始めた時のエネルギーをプロットしたものである。実験においては、上記パルスレーザ光を光ファイバの一方の端部に入射して、他方の端部から出射したパルスレーザ光のエネルギーを測定した。そして、パルスレーザ光の入射エネルギーを入射側端部が損傷するまで増加させながら、出射側で測定されたエネルギーの最大値を損傷閾値エネルギーとした。レンズ焦点位置でのビーム径は、拡散角θが０．６５または１．８°の拡散板、および焦点距離ｆが１１．０、１５．３、１８．３または２５．０ｍｍの集光レンズを適宜組み合わせて調整した。図１４において、実線は、石英コアの損傷閾値エネルギー密度から想定される光ファイバ端面の損傷閾値エネルギー曲線を示す。また点線は、コア径が６００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。また一点鎖線は、コア径が４００μｍである石英コアを有する光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。半値幅の開始点がコア径ｄのおよそ１／３、終了点がコア径ｄのおよそ２／３となっている。
　このグラフより、光ファイバの損傷のモードが、ビーム径が増加する途中でコア損傷モードから周囲損傷モードへと切り替わり、損傷閾値エネルギーはビーム径に対して上に凸となる変化を示すことがわかる。これは、石英等からなるコアに比べ、上記のような周囲の部材のレーザ光に対する耐久性が低いためである。つまり、光ファイバケーブル８２が光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものでない場合には、光ファイバケーブル８２の光入射側のコア端面は、レーザ光Ｌのビーム径がｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下である状態でレーザ光Ｌが入射するように配置されることが好ましい。
　また、拡散部８０を介さずに光ファイバケーブル（コア径６００μｍ）にレーザ光を集光する従来の方法では、ビーム径の制御範囲が最大で９０μｍ程度に限定されるため、図１４のグラフから分かるように、伝送可能なエネルギー量は約１．０ｍＪが限界であった。しかしながら、拡散部８０および集光レンズ系８１の組み合わせによりビーム径Ｄを制御する本発明においては、ビーム径Ｄを拡大制御するほどより大きなエネルギー量を伝送することができる。すわなち、図１４によれば、例えばコア径が４００μｍの光ファイバに対しビーム径を２５０μｍとすれば約１２ｍＪ程度、コア径が６００μｍの光ファイバに対しビーム径を３５０μｍとすれば約２２ｍＪ程度と飛躍的に大きなエネルギー量を伝送することが可能となる。このように、本発明によれば伝送可能なエネルギー量を飛躍的に増大させることができる。
　また、図１５も、拡散板および集光レンズの条件を変えた実験により、レンズ焦点位置でのビーム径と光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーとの関係を示すグラフである。ただし、当該グラフは、特に耐光エネルギー構造を有する光ファイバケーブルおよび当該構造を有しない光ファイバケーブルを対比したグラフである。より具体的にはこのグラフは、所定の拡散角θを有する拡散板にレーザ光を入射させた後、所定の焦点距離ｆを有する集光レンズによりエアギャップを有する光ファイバケーブル８２または通常の光ファイバケーブルの端面に当該レーザ光を集光し、コア損傷モードまたは周囲損傷モードが生じ始めた時のエネルギーをプロットしたものである。実験方法は図１４で説明した方法と同様である。図１５において、実線は、石英コアの損傷閾値エネルギー密度から想定される光ファイバ端面の損傷閾値エネルギーを示す。また点線は、直径が４００μｍの石英コアおよび厚さが４４０μｍのフッ素ドープ石英クラッドを有するエアギャップ光ファイバケーブル（図５）の損傷閾値エネルギーを示す。また一点鎖線は、直径が４００μｍの石英コアを有する通常の（つまり端部のクラッドの側面が露出しておらず、接着剤およびステンレス製のフェルールが端部の周囲にまで存在する）光ファイバケーブルの損傷閾値エネルギーを示す。
　このグラフにおける損傷閾値エネルギーの挙動は、通常の光ファイバケーブルの損傷のモードは、コア径の１／２程度のビーム径を境にコア損傷モードから周囲損傷モードへと切り替わるのに対し、エアギャップ光ファイバケーブルの損傷モードは、コア径の１／２程度のビーム径においても周辺損傷モードに切り替わらず、より大きなビーム径までコア損傷モードが支配的であることを示している。これは、通常の光ファイバケーブルでは、石英等からなるコアに比べ、上記のような周囲の部材のレーザ光Ｌに対する耐久性が低いためである。
　つまり、光ファイバケーブル８２が光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものである場合には、光ファイバケーブル８２の端面における周囲損傷モードが生じないため、光ファイバケーブル８２の端面損傷を抑制するという観点からは、ビーム径Ｄの上限値は特に限定されない。しかしながら、最小ビーム径Ｄを光ファイバ８２ａのコア径ｄｉｎより広げた場合には、光ファイバ８２ａの周囲に損傷は生じないが、コア８４ａの外側にレーザ光Ｌが広がりエネルギーの伝送効率が低下する。したがって、効率よくレーザ光Ｌを光ファイバケーブル８２中の光ファイバ８２ａのコア８４ａに入射させる観点から、ビーム径Ｄの上限値は当該コア８４ａのコア径ｄｉｎ以下であることが好ましい。
　以上のように、本実施形態に係る光源ユニットおよび光音響計測装置は、コネクタ受け部への光伝送を光ファイバによって行っているから、筺体内部と筺体壁が温度変化および振動に伴ってそれぞれ異なる動きをしてもコネクタ受け部への光の入射位置がずれることを防止することができる。さらに、本発明に係る光源ユニットおよび光音響計測装置は、レーザ光を一度拡散板に通すことによりレーザ光に含まれる光束の伝播角度の分布を拡げ、光ファイバに入射する際のビーム径を集光レンズ系の焦点距離によって制御しているから、集光レンズ系で集光させてレーザ光を光ファイバに入射させる際に、レーザ光が絞られすぎることを防止することができる。これにより、局所的な光エネルギーが光ファイバの損傷閾値エネルギーを超えることによる光ファイバの損傷を防止することができる。この結果、光源ユニットの筺体内部における光伝送をより安定的に効率よく行うことが可能となる。
　＜設計変更＞
　さらに、本発明では、ユニット筺体１３ｂ内の伝送を光ファイバによって行うことから、コネクタの構造が光路に影響されにくくなり、設計の自由度が増すという利点（第３の効果）もある。その結果、例えば下記のようなコネクタ構造の採用が可能となる。
　図１６に示されるコネクタでは、レセプタクル５１ｂが、光ファイバケーブル８２（或いは光ファイバ８２ａ）の光出射側の光軸Ｃ１（第１光軸）の方向が伏角βを有するように、ユニット筺体１３ｂに設けられている。上記レセプタクル５１ｂには、プラグ５１ａの挿入部５３が挿入される挿入口５２が設けられている。図１６では、挿入部５３は光ファイバ４０とその被覆部材８３ｂ、つまり光ファイバケーブル８３によって構成されている。挿入口５２は、光ファイバケーブル８２の直径（光ファイバ８２ａと被覆部材８２ｂを含めた全体の長さ）と同程度の直径を有し、光ファイバケーブル８２は挿入口５２に固定されている。そして、レセプタクル５１ｂが傾いてユニット筺体１３ｂに設置されていることにより、光軸Ｃ１の方向が伏角βを有するように、光ファイバケーブル８２が固定されている。「伏角を有する」とは、光軸Ｃ１の方向が、水平を基準として下向きの角度を有することを意味する。図１６ａは、プラグ５１ａの挿入部５３がレセプタクル５１ｂの挿入口５２に挿入される前の状態を表す概略図であり、図１６ｂは、プラグ５１ａの挿入部５３がレセプタクル５１ｂの挿入口５２に挿入されたときの状態を表す概略図である。なお、図１６においては、プラグ５１ａおよびレセプタクル５１ｂの固定手段を明示していないが、固定手段については公知の手段を適宜採用することができる。このようなコネクタ構造によれば、不用意にレーザ光がユニット筺体１３ｂ外の空間に水平に出射することを防止することができ、またレーザ光が出射されても床や地面等に当たり吸収されるため、安全性が高まる。
　図１７に示されるコネクタ構造は、挿入口５２が、その開口幅が奥の幅よりも大きくかつ内壁面５２ａが開口側から奥に向かって湾曲したガイド構造を有する点、固定手段５４および５５を有する点、挿入部５３の先端が丸みを帯びている点で、図１６のコネクタ構造と異なる。上記ガイド構造が「湾曲している」とは、例えば光ファイバケーブル８２の光軸Ｃ２を含む任意の平面における挿入口５２の断面を考えたときに、挿入口５２の少なくとも一部の壁面で湾曲していれば足りる意味である。図１７においては、光軸Ｃ２を含む紙面に平行な平面における挿入口５２の断面が表示されており、その壁面５２ａが湾曲していることがわかる。このようなガイド構造を採用することにより、例えば図１７ａのように挿入部５３を水平な状態で挿入しても、挿入部５３が挿入されるに従って、光ファイバケーブル８３（或いは光ファイバ４０）の光入射側の光軸Ｃ３（第２光軸）が光軸Ｃ２と一致するように滑らかにガイドされるため（図１７ｂ）、図１６のコネクタ構造の場合に比べて容易にプラグ５１ａおよびレセプタクル５１ｂを装着することが可能となる（図１７ｃ）。挿入部５３の先端が丸みを帯びているのは、挿入部５３の先端が壁面５２ａ上をスライドする際の抵抗を低減するためであり、必須の構成ではない。また、図１７では、プラグ５１ａがレセプタクル５１ｂに対してスライドするだけで装着可能となるように、互いに係合する突出部５４および凹部５５を有する。なお、固定手段は、上記の突出部５４および凹部５５に限定されず、プッシュピンやネジ等のその他公知の手段を使用することができる。
　図１８に示されるコネクタ構造は、挿入口５２の開口部分にローラ５６が設置されている点で、図１７のコネクタ構造と異なる。このようなガイド構造を採用することにより、挿入部５３が挿入口５２内の壁面上をスライドする際の抵抗をより低減することが可能となり、図１７のコネクタ構造の場合に比べてより容易にプラグ５１ａおよびレセプタクル５１ｂを装着することが可能となる。ローラの設置位置や数は特に限定されないが、挿入部５３が接触する可能性の高い挿入口５２内の壁面に沿って設置することが好ましい。
　「第２の実施形態」
　次に、光音響計測装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態でも、光音響計測装置が光音響画像生成装置１０である場合について具体的に説明する。図１９は、本実施形態の光音響画像生成装置１０の構成を示すブロック図である。本実施形態は、光音響画像に加えて超音波画像も生成する点で、第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要がない限り省略する。
　本実施形態の光音響画像生成装置１０は、第１の実施形態と同様に、本発明に係るプローブ１１、超音波ユニット１２、レーザユニット１３、画像表示手段１４および入力手段１６を備える。
　＜超音波ユニット＞
　本実施形態の超音波ユニット１２は、図３に示す光音響画像生成装置の構成に加えて、送信制御回路３３、データ分離手段３４、超音波画像再構成手段３５、検波・対数変換手段３６、および超音波画像構築手段３７を備える。
　本実施形態では、プローブ１１は、光音響信号の検出に加えて、被検体に対する超音波の出力（送信）、及び送信した超音波に対する被検体からの反射超音波の検出（受信）を行う。超音波の送受信を行う音響検出素子としては、前述した音響検出素子アレイを使用してもよいし、超音波の送受信用に別途プローブ１１中に設けられた新たな音響検出素子アレイを使用してもよい。また、超音波の送受信は分離してもよい。例えばプローブ１１とは異なる位置から超音波の送信を行い、その送信された超音波に対する反射超音波をプローブ１１で受信してもよい。
　トリガ制御回路６６は、超音波画像の生成時は、送信制御回路３３に超音波送信を指示する旨の超音波送信トリガ信号を送る。送信制御回路３３は、このトリガ信号を受けると、プローブ１１から超音波を送信させる。プローブ１１は、超音波の送信後、被検体からの反射超音波を検出する。
　プローブ１１が検出した反射超音波は、受信回路２１を介してＡＤ変換手段２２に入力される。トリガ制御回路６６は、超音波送信のタイミングに合わせてＡＤ変換手段２２にサンプリグトリガ信号を送り、反射超音波のサンプリングを開始させる。ここで、反射超音波はプローブ１１と超音波反射位置との間を往復するのに対し、光音響信号はその発生位置からプローブ１１までの片道である。反射超音波の検出には、同じ深さ位置で生じた光音響信号の検出に比して２倍の時間がかかるため、ＡＤ変換手段２２のサンプリングクロックは、光音響信号サンプリング時の半分、例えば２０ＭＨｚとしてもよい。ＡＤ変換手段２２は、反射超音波のサンプリング信号を受信メモリ２３に格納する。光音響信号のサンプリングと、反射超音波のサンプリングとは、どちらを先に行ってもよい。
　データ分離手段３４は、受信メモリ２３に格納された光音響信号のサンプリング信号と反射超音波のサンプリング信号とを分離する。データ分離手段３４は、分離した光音響信号のサンプリング信号を光音響画像再構成手段２４に入力する。光音響画像の生成は、第１の実施形態と同様である。一方、データ分離手段３４は、分離した反射超音波のサンプリング信号を、超音波画像再構成手段３５に入力する。
　超音波画像再構成手段３５は、プローブ１１の複数の音響検出素子で検出された反射超音波（そのサンプリング信号）に基づいて、超音波画像の各ラインのデータを生成する。各ラインのデータの生成には、光音響画像再構成手段２４における各ラインのデータの生成と同様に、遅延加算法などを用いることができる。検波・対数変換手段３６は、超音波画像再構成手段３５が出力する各ラインのデータの包絡線を求め、求めた包絡線を対数変換する。
　超音波画像構築手段３７は、対数変換が施された各ラインのデータに基づいて、超音波画像を生成する。
　画像合成手段３８は、光音響画像と超音波画像とを合成する。画像合成手段３８は、例えば光音響画像と超音波画像とを重畳することで画像合成を行う。合成された画像は、画像表示手段１４に表示される。画像合成を行わずに、画像表示手段１４に、光音響画像と超音波画像とを並べて表示し、或いは光音響画像と超音波画像とを切り替えて表示することも可能である。
　以上のように、本実施形態に係る光音響計測装置も、本発明の光源ユニットを使用するものであるから、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
　さらに本実施形態の光音響計測装置は、光音響画像に加えて超音波画像を生成する。したがって、超音波画像を参照することで、光音響画像では画像化することができない部分を観察することができる。
　なお、以上では光音響計測装置が光音響画像や超音波画像を生成する場合について説明したが、このような画像生成は必ずしも必要ではない。例えば光音響計測装置を、光音響信号の大きさに基づいて測定対象の存在の有無のみを計測するような構成にすることもできる。
１０　 光音響画像生成装置
１１　 プローブ
１２　 超音波ユニット
１３　 レーザユニット
１３ｂ ユニット筺体
１４　 画像表示手段
１６　 入力手段
２１　 受信回路
２２　 変換手段
２３　 受信メモリ
２４　 光音響画像再構成手段
２７　 検波・対数変換手段
２８　 光音響画像構築手段
３０　 発振器（光源）
３８　 画像合成手段
３９　 観察方式選択手段
４０　 光ファイバ（導光部）
４１　 導光板
４２　 音響検出部
４４　 音響信号線
５１　 コネクタ
５１ａ プラグ
５１ｂ レセプタクル
５２　 挿入口
５３　 挿入部
５６　 ローラ
６０　 超音波ユニットの制御手段
６１　 レーザユニットの制御手段
６２　 制御信号線
６６　 トリガ制御回路
８０　 拡散部
８１　 集光レンズ系
８２　 光ファイバケーブル
８２ａ 光ファイバ
８２ｂ 被覆部材
８３　 光ファイバケーブル
Ｌ　　 レーザ光
Ｍ　　 被検体

Claims (20)

  1. 　プローブの導光部にレーザ光を出射させる光源ユニットであって、
    　前記導光部のコネクタ部と着脱可能なコネクタ受け部を有するユニット筺体と、
    　該ユニット筺体の内部に設置された前記レーザ光を出力する光源と、
    　該光源から出力された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
    　該拡散部によって拡散した前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
    　前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を前記コネクタ受け部まで伝送する光ファイバを含む光伝送部とを備え、
    　前記コネクタ受け部が前記光ファイバおよび前記導光部を光学的に接続するものであることを特徴とする光源ユニット。
  2. 　前記光ファイバがシングルファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
  3. 　前記光伝送部が、前記光ファイバの光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものであり、
    　前記集光レンズ系が、下記式１で規定される前記レーザ光の最小ビーム径Ｄが前記光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／２以上となるように前記レーザ光を集光するものであり、
    　前記光ファイバの光入射側のコア端面が、前記レーザ光のビーム径がｄｉｎ／２以上である状態で前記レーザ光が入射するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の光源ユニット。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　（式１において、Ａは拡散部の種類によって定められる係数を表し、ｆは前記集光レンズ系の焦点距離を表し、φは前記拡散部に入射する際の前記レーザ光の拡がり角を表し、θは前記拡散部の拡散角を表す。）
  4. 　前記光伝送部が、前記光ファイバの端面近傍の側面が露出するように前記光ファイバを被覆する被覆部材を有するエアギャップ光ファイバケーブルであることを特徴とする請求項３に記載の光源ユニット。
  5. 　前記集光レンズ系が、下記式２で規定される前記レーザ光の最小ビーム径Ｄが前記光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下となるように前記レーザ光を集光するものであり、
    　前記光ファイバの光入射側のコア端面が、前記レーザ光のビーム径がｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下である状態で前記レーザ光が入射するように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の光源ユニット。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　（式２において、Ａは拡散部の種類によって定められる係数を表し、ｆは前記集光レンズ系の焦点距離を表し、φは前記拡散部に入射する際の前記レーザ光の拡がり角を表し、θは前記拡散部の拡散角を表す。）
  6. 　前記拡散部が、微小なレンズが基板の表面にランダムに配置されたレンズ拡散板であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  7. 　前記拡散部が、入射した前記レーザ光のエネルギープロファイルをフラットトップ化するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  8. 　前記拡散部がエンジニアード拡散板であり、
    　前記係数Ａが２．５であることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  9. 　前記拡散部がホログラフィック拡散板であり、
    　前記係数Ａが２．４であることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  10. 　前記コネクタ受け部が、前記光ファイバの光出射側の第１光軸の方向が伏角を有するように前記光ファイバを保持するものであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光源ユニット。
  11. 　前記コネクタ部の挿入部が挿入される前記コネクタ受け部の挿入路が、前記挿入部が挿入されるに従って、前記導光部の光入射側の第２光軸が前記第１光軸と一致するようにガイドするガイド構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の光源ユニット。
  12. 　前記ガイド構造が、前記挿入路の開口幅が該挿入路の奥の幅よりも大きく、かつ前記挿入路の内壁面が開口側から奥に向かって湾曲したものであることを特徴とする請求項１１に記載の光源ユニット。
  13. 　前記挿入路の内壁面にローラが設けられたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の光源ユニット。
  14. 　光音響波を発生させるために被検体に向かって出射されるレーザ光を導光する導光部を有するプローブと、
    　前記導光部にレーザ光を出射させる光源ユニットとを備える光音響計測装置であって、
    　前記光源ユニットが、
    　前記導光部のコネクタ部と着脱可能なコネクタ受け部を有するユニット筺体と、
    　該ユニット筺体の内部に設置された前記レーザ光を出力する光源と、
    　該光源から出力された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
    　該拡散部によって拡散した前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
    　前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を前記コネクタ受け部まで伝送する光ファイバを含む光伝送部とを備え、
    　前記コネクタ受け部が前記光ファイバおよび前記導光部を光学的に接続するものであることを特徴とする光音響計測装置。
  15. 　前記光ファイバがシングルファイバであることを特徴とする請求項１４に記載の光音響計測装置。
  16. 　前記光伝送部が、前記光ファイバの光入射側の端部に耐光エネルギー構造を有するものであり、
    　前記集光レンズ系が、下記式３で規定される前記レーザ光の最小ビーム径Ｄが前記光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／２以上となるように前記レーザ光を集光するものであり、
    　前記光ファイバの光入射側のコア端面が、前記レーザ光のビーム径がｄｉｎ／２以上である状態で前記レーザ光が入射するように配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の光音響計測装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     　（式３において、Ａは拡散部の種類によって定められる係数を表し、ｆは前記集光レンズ系の焦点距離を表し、φは前記拡散部に入射する際の前記レーザ光の拡がり角を表し、θは前記拡散部の拡散角を表す。）
  17. 　前記集光レンズ系が、下記式４で規定される前記レーザ光の最小ビーム径Ｄが前記光ファイバの光入射側のコア径ｄｉｎとの関係でｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下となるように前記レーザ光を集光するものであり、
    　前記光ファイバの光入射側のコア端面が、前記レーザ光のビーム径がｄｉｎ／３以上２ｄｉｎ／３以下である状態で前記レーザ光が入射するように配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の光音響計測装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     　（式４において、Ａは拡散部の種類によって定められる係数を表し、ｆは前記集光レンズ系の焦点距離を表し、φは前記拡散部に入射する際の前記レーザ光の拡がり角を表し、θは前記拡散部の拡散角を表す。）
  18. 　前記拡散部がエンジニアード拡散板であり、
    　前記係数Ａが２．５であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光音響計測装置。
  19. 　前記拡散部がホログラフィック拡散板であり、
    　前記係数Ａが２．４であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光音響計測装置。
  20. 　前記導光部がバンドルファイバであり、
    　前記光ファイバの光出射側のコア径ｄｏｕｔと前記バンドルファイバのバンドル径Ｂとが下記式５を満たすことを特徴とする請求項１５から１９のいずれか１項に記載の光音響計測装置。
    ０．８Ｂ≦ｄｏｕｔ≦１．２Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式５
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