光音響振動計
【課題】対象物の変位や振動を検出する光音響振動計を提供する。
【解決手段】本発明の光音響振動計は、第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源１と、前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系６と、第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部８と、第１の平面音波が所定の時間に光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源１１と、少なくとも１つの平面波光束が、第１及び第２の平面音波によって回折することにより、光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部２２０と、重畳した回折光を集光する結像レンズ系１６と、集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部１７とを備える。
【解決手段】本発明の光音響振動計は、第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源１と、前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系６と、第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部８と、第１の平面音波が所定の時間に光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源１１と、少なくとも１つの平面波光束が、第１及び第２の平面音波によって回折することにより、光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部２２０と、重畳した回折光を集光する結像レンズ系１６と、集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部１７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を変位や振動を光および音響波によって検出する光音響撮振動計に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響波を対象物に照射し、生じた散乱波を光音響媒質部に導入すると、音響波は縦波であるため、光音響媒質部中の媒質に粗密が生じ、屈折率分布を形成する。このため、光音響媒質部中に光を伝搬させると、この屈折率分布の影響を受けた回折光を生成する。つまり、生成した回折光を観測すると、対象物を検出することができる。
【０００３】
非特許文献１は、光音響媒質部中に生じた屈折率分布に単色光を照射することによって、Ｂｒａｇｇ回折光を生成し、対象物を撮像する技術を開示している。具体的には、図２２に示すように、非特許文献１は、レーザー１１０１および超音波振動子１１１１を用いて対象物１１０９の像をスクリーン１１０５に投影する技術を開示している。レーザー１１０１から出射した単色光光束は、ビームエクスパンダー１１０２およびアパーチャ１１０３により、太いビーム径を持つ単色光光束に変換される。単色光光束は、図２２に示すようにｘｙｚ軸を設定した場合においてｘ軸に伸びるシリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、および、ｙ軸に伸びる１１０４（ｃ）を透過し、スクリーン１１０５に到達する。このように、３つのシリンドリカルレンズから成る光学系は、光軸１１１３に対して回転対称でない。
【０００４】
シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）と１１０４（ｂ）との間に、水１１０７で満たされた音響セル１１０８が配置されており、水１１０７中に対象物１１０９が配置されている。以下において説明するように、単色光光束が水１１０７を透過する際に回折光が生じる。生成した回折光は強い非点収差を持っている。このため、生成した回折光の非点収差を補正し、また、スクリーン１１０５の位置で、ｘｚ平面上およびｙｚ平面上において結像させるため、シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）の焦点距離は互いに異なっている。
【０００５】
シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）は、単色光光束が焦点面１１０６の位置でｘｚ平面において焦点を結ぶよう焦点距離が選定されている。シリンドリカルレンズによる結像であるため、焦点はｘ軸に平行な直線である。焦点面１１０６を通過した光束は焦点面１１０６よりスクリーン１１０５側で発散するが、その発散光束はシリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）で収束され、スクリーン１１０５上で再度焦点を結ぶ。ｙｚ平面内においては、ビームエクスパンダー１１０２通過後の単色光光束は、平行光束のままシリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）に入射する。そして、シリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）の集光作用でスクリーン１１０５上に焦点を結ぶ。各シリンドリカルレンズの設置位置や焦点距離の選定は、ｘｚ平面およびｙｚ平面の両面において光束がスクリーン１１０５上で結像するように行うこと以外に、対象物１１０９に相似な画像が、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）としてスクリーン１１０５上に出現するよう行われる。上で述べたように光学系が光軸１１１３に対して回転対称ではないので、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）は歪曲収差を持つ。そこで、シリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）を用いて、回折光の持つ歪曲収差と逆の特性の歪曲収差を有する光学系を構成することによって、回折光の歪曲収差を補正し、対象物１１０９に相似な画像をスクリーン１１０５上に生成する。
【０００６】
音響セル１１０８には、信号源１１１０で駆動される超音波振動子１１１１が設けられており、超音波振動子１１１１から水１１０７を介して対象物１１０９に単色超音波が照射される。単色超音波とは、音圧が、単一周波数を持つ正弦波状の時間変動を示す超音波を意味する。
【０００７】
対象物１１０９から超音波散乱波が生成し、その散乱波は水１１０７中における単色光光束の通過領域を伝播する。水中を伝播する超音波の導波モードは粗密波（縦波）であるので、水１１０７中の音圧分布、すなわち、超音波散乱波に一致した屈折率分布が水１１０７中に生成される。議論を簡単にするため、まず、対象物１１０９からの超音波散乱波は、ｙ軸の正方向に向かう平面波であると仮定する。超音波散乱波は単色であるから、ある瞬間において水１１０７中に生成される屈折率分布は、超音波波長で繰り返される正弦波状の１次元格子となる。したがって、その１次元格子によりＢｒａｇｇ回折光（図中では±１次回折光束を表現）が生成される。そして、その回折光はスクリーン１１０５上で１つの光点として現われる。光点の輝度は、１次元格子の屈折率変化量、すなわち、超音波音圧に比例する。
【０００８】
次に、仮定した「超音波散乱波は平面波である」という条件の緩和し、波面が平面ではない超音波散乱波を考える。波面が平面ではない超音波散乱波は、様々な方向から到来する平面波（今の場合、全ての平面波は同一周波数を持つ）の重ね合わせとして表現することができる。このため、波面が平面ではない超音波散乱波が伝搬する水１１０７を単色光光束が透過する場合、様々な方向から到来する各平面波による回折光の光点がスクリーン１１０５上に出現する。各光点の強度は各平面波の振幅の大きさに比例し、また、各光点のスクリーン１１０５上での出現位置は、各平面波の進行方向によって決定される。そのため、スクリーン１１０５上において１次回折像１１１２（ａ）、および、−１次回折像１１１２（ｂ）として、対象物１１０９の実像が現われる。スクリーン１１０５上での光点の集合体が対象物１１０９の実像とみなせるという点は、回折現象であることを除き、対象物と±１次回折像の関係が、一般の光学カメラにおける対象物と実像の関係とおなじである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A. Korpel, "Visualization of the cross section of a sound beam by Bragg diffraction of light," Applied Physics Letters, vol.9, no.12, pp.425-427, 15 Dec. 1966.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、非特許文献１に開示された技術によれば、対象物の変位や振動を検出することはできない。本発明は、この従来の課題を解決し、対象物の変位や振動を検出する光音響振動計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光音響振動計は、第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源と、前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ所定の収束状態の第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系と、音響レンズ系の音軸を含むように配置され、前記第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部と、前記光音響媒質部中の前記音軸上において、前記第１の平面音波が前記所定の時間に前記光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源と、前記少なくとも１つの平面波光束が、前記第１及び第２の平面音波によって回折することにより、前記光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部と、前記重畳した回折光を集光する結像レンズ系と、前記集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部とを備える。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、光音響振動計は、前記重畳した回折光および前記電気信号によって表される前記対象物の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備える。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの平面波光束のスペクトル幅は１０ｎｍ未満である。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は屈折型音響系である。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されている。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備える計。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は反射型音響系である。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は２以上の反射面を含む。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、焦点調整機構を含む。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する第１及び第２の平面波光束を出射する。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する１つの平面波光束を出射する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記光重畳部は、無偏光ビームスプリッターを含む。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を拡大する光学部材を含む。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を縮小する光学部材を含む。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成される。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行う。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含む。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１及び第２の回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含む。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光源から出射する前記少なくとも１つの平面波光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能である。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１及び第２の音響波の送信時刻を制御するトリガ回路をさらに含む。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の光音響振動計によれば、所定の時間間隔で送信される第１及び第２の音響波を対象物に照射することによって、異なる時刻における散乱波を生成し、音響レンズ系でそれぞれの散乱波を平面音波に変えるとともに光音響媒質部に導入し、それぞれの平面音波に対して光音響媒質部中に生じた屈折率分布による回折光を生成する。生成した２つの回折光を重ね合わせることによって、干渉が得られるため、所定の時間における対象物の変位や移動を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明よる光音響振動計の第１の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態において、平面波光束が平面音波によってＢｒａｇｇ回折する様子を説明する模式図であり、（ｂ）は、１次元回折格子によるＢｒａｇｇ回折条件を説明するための模式図であり、（ｃ）は、第１の実施形態において、Ｂｒａｇｇ回折により超音波波面上の音圧分布が回折光光束波面上の光振幅分布に転写されることを説明するための模式図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施形態において、回折光２０１がｙ方向に歪んでいることを示す図であり、（ｂ）は、第１の実施形態において、像歪み補正部１５として用いられるアナモルフィックプリズムの構造を示す図である。
【図４】アナモルフィックプリズムを構成するくさび状プリズムにおける光束の光路を説明するための図である。
【図５】（ａ）は、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概念的な図であり、（ｂ）は、第１の実施形態の光音響振動計が二重回折光学系とみなせることを示す図である。
【図６】第１の実施形態の光音響振動計において、対象物の変位に依存した干渉縞が実像に重畳されることを示す説明図である。
【図７】共振している太鼓の皮を対象物として撮影する具体的を説明する図である。
【図８】撮影された太鼓の皮の像を示す図である。
【図９】位置および半径が変化する球を対象物として撮影する具体的を説明する図である。
【図１０】撮影された球の像を示す図である。
【図１１】（ａ）は、第１の実施形態における第１及び第２の平面波光束の入射方向を示す図であり、（ｂ）は、他の可能な入射方向を示す図である。
【図１２】シリンドリカルレンズの構造を示す図である。
【図１３】第１の実施形態において、シリンドリカルレンズより構成され、像歪み補正部と結像レンズ系の作用を兼ね備えた光学系を示す図である。
【図１４】本発明よる光音響振動計の第２の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図１５】第２の実施形態の具体的を説明する模式図である。
【図１６】第３の実施形態における音響レンズ系の構成を示す図である。
【図１７】第４の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である。
【図１８】第５の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である
【図１９】本発明よる光音響振動計の第６の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２０】本発明よる光音響振動計の第７の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２１】本発明よる光音響振動計の第８の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２２】非特許文献１に記載された装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
以下、本発明による光音響振動計の第１の実施形態を説明する。図１は、光音響振動計１０１の構成を概略的に示している。光音響振動計１０１は、音響波源１と、音響レンズ系６と、光音響媒質部８と、光源１１と、光重畳部２２０と、歪み補正部１５と、結像合レンズ系１６と、受像部１７とを備える。
【００３５】
対象物４は、音響波が伝搬することができる媒質３中に配置される。音響波が伝播可能な媒質３とは、例えば、空気、水などである。このほか、媒質３は、体組織や、金属、コンクリートなどの弾性体であってもよい。また、対象物４は、人や動物などの体内器官であってもよい。この場合、媒質３は人や動物の体内組織である。
【００３６】
音響波源１および音響レンズ系６は、媒質３中、あるいは、媒質３に接触して配置される。音響波源１から出射した第１及び第２の音響波２ａ、ｂが対象物４を照射することにより、対象物４の表面や内部の音響インピーダンス（音速に密度を掛けた量）の非一様な領域で、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが反射し、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが生成する。第１および第２の散乱波５ａ、５ｂは、音響レンズ系６によって、所定の収束状態、特に第１および第２の平面音波９ａ、９ｂに変換され、光音響媒質部８に入射する。光音響媒質部８中を第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが伝搬することによって、光音響媒質部８には屈折率分布が生じる。
【００３７】
光源１１は平面波光束１４を出射する。平面波光束１４は、ビームスプリッター１９によって第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに分割され、光音響媒質部８に入射される。
【００３８】
光音響媒質部８の第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂによる屈折率分布により、第１の及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂが回折し、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生じる。この回折光を、光重畳部２２０によって重ね合わせ、結像レンズ系１６によって、受像部１７に集光することにより、対象物４の像１８を撮影することができる。像１８は、音軸７に垂直で、音響レンズ系６の焦点距離ｆだけ音響レンズ系６から離れた平面上における、対象物４の弾性係数の２次元分布に相似な画像である。また、以下において詳細に説明するように、第２の音響波２ｂは第１の音響波２ａから所定の時間τ後に送信されるため、得られる像１８は、異なる時刻に撮影された２つの対象物４の像を重ね合わせ干渉させたものである。これは、対象物４の時間τにおける音響レンズ系６の音軸７方向への移動または変位情報を示している。
【００３９】
１．光音響振動計１００の構成
（１）音響波源１
音響波源１は、対象物４に向けて第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを照射する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、好ましくは超音波である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのそれぞれは、振幅および周波数が一定である正弦波を複数波分含むパルス波であることが好ましい。波数が多くなるほど光音響媒質部８において生じる回折光の強度が強くなる。図１には示していないが、トリガ回路によって音響波源１が第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを発生する時刻は正確に制御されている。好ましくは、数ｎｓ程度の精度で制御されている。
【００４０】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、平面波であってもよいし、平面波でなくてもよい。好ましくは、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、対象物４の全体、あるいは、対象物４の撮影したい領域を、概ね均一な強度で照射する。つまり、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、撮影したい領域に応じた大きさの照射断面を有していることが好ましい。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、対象物４の表面および内部で反射散乱し、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂと同一周波数を持つ第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが生成する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、それぞれ正弦波を複数波分含むパルス波であるため、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射される時間間隔τは、例えば、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのそれぞれの正弦波の立ち上がり時刻の差で定義される。時間間隔τは、対象物４の変位や移動をどの程度の時間間隔で観察したいかに依存する。例えば、対象物４が人や動物などの体内器官である場合には、時間間隔τは１０μ秒から１ｍｍ秒の範囲の値であってもよい。
【００４１】
（２）音響レンズ系６
音響レンズ系６は、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂをそれぞれ所定の状態に収束させる。具体的には、音響レンズ系６は媒質３中において焦点距離ｆを有している。音響レンズ系６は、屈折型音響系であってもよいし、反射型音響系であってもよい。本実施形態では、屈折型音響系の音響レンズ系６を用いる。音響レンズ系６が屈折型音響系である場合、少なくとも１つの屈折面を有し、内部を第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが透過する音響レンズを含む。音響レンズは、好ましくは、シリカナノ多孔体またはフロリナートなど、音響波の伝播損失が少ない弾性体によって構成される。屈折面における音響波の屈折は、スネルの法則に従い、媒質３および音響レンズを構成する材料における第１および第２の散乱波５ａ、５ｂの音速比で定まる角度で、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは屈折する。音響レンズ系６が反射型音響系である場合、音響レンズ系６は、金属やガラスなど、媒質３と音響インピーダンスが大きく異なる材料によって構成される少なくとも１つの反射面を有する。これらの屈折面および反射面は、いずれも光学レンズと同様の形状を有していることによって、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂを収束させることができる。
【００４２】
また、光学分野においてレンズ屈折面で生じる反射減衰や迷光を低減するために積層される反射防止膜と同様の機能を有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。例えば、媒質３と音響レンズの音響インピーダンスの相乗平均値に等しい音響インピーダンス、および、その音響インピーダンス値における１／４波長（ここでの波長は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成する正弦波の周波数における波長をさす）の厚さを有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。
【００４３】
対象物４は音響レンズ系６の焦点近傍に位置することが好ましい。光学カメラ等の光学撮像装置と同様、音響レンズ系６の音軸７上において、焦点の位置からずれるに従い、対象物４の像１８はぼける。
【００４４】
このため、焦点の位置以外の位置にある対象物４の鮮明な像１８を得る場合は、対象物４が音響レンズ系６の焦点の位置にくるように、光音響振動計１００全体を移動させることが好ましい。光音響振動計１００全体を移動させることが困難である場合、あるいは、音響レンズ系６の音軸７方向に光音響振動計１００を移動させることが困難である場合、光学式カメラの撮像レンズと同様に、音響レンズ系６は焦点調整機構をさらに備えていてもよい。また、さらに、対象物４に対する像１８の大きさを可変にする場合、音響レンズ系６または結像レンズ系１６のいずれか一方、あるいは、その両方に焦点距離調整機能（すなわち、ズーム機能）を設けてもよい。
【００４５】
対象物４が音響レンズ系６の焦点に位置する場合、音響レンズ系６によって第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂに変換される。
【００４６】
（３）光音響媒質部８
光音響媒質部８は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂに対して伝搬減衰が少なく、かつ、後述の第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに対して透光性を有する等方的弾性体によって構成される。このような弾性体としては、例えば、シリカ乾燥ゲルで形成されたナノ多孔体、フロリナート、水などを好適に用いることができる。像１８の画質（特に分解能）の向上のためには、できるだけ低音速な透光性弾性体を適用することが望ましく、シリカナノ多孔体、フロリナートを用いることがより好ましい。
【００４７】
光音響媒質部８は、音響レンズ系６によって変換された第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、低損失で光音響媒質部８に入射するように音響レンズ系６に対して配置されていることが好ましく、音響レンズ系６が光音響媒質部８と接合されていことが好ましい。また、接合面での反射による減衰を抑圧するために、接合面には反射防止膜を設けることが好ましい。音響レンズ系６と光音響媒質部とを同じ材料によって構成する場合には、光音響媒質部８の一部（好ましくは媒質３との境界面）に音響レンズ系６を設けてもよい。図１に示すように、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは、音響レンズ系６の音軸７に対して垂直な波面を有し、音軸７に対して平行に光音響媒質部８を伝搬する。
【００４８】
上で述べたように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは時間間隔τで送信されるため、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは２つの独立した音波として光音響媒質部８中を伝播する。光音響媒質部８の音速をνとすると、第１及の平面音波９ａおよび第２の平面音波９ｂの光音響媒質部８中における距離はτ×νとなる。
【００４９】
（４）音波吸収部１０
光音響媒質部８を伝搬した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが光音響媒質部８の端部で反射し、反射した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの検出に影響を与える場合には、光音響媒質部８の端部に音波吸収部１０を設けることが好ましい。音波吸収部１０は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを反射や散乱させることなく吸収し、あるいは、減衰させる。音波吸収部１０により、音波吸収部１０に到達する音波は全て吸収されるため、光音響媒質部８中に存在する音波は一方向へ伝搬する第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂのみとなる。これにより、反射した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂがノイズとして検出され、対象物４の画像の画質が低下するのを抑制することができる。
【００５０】
（５）光源１１
光源１１は、干渉性の高い光束を生成する。「干渉性が高い」とは、光源１１から出射する光束の波長、進行方向、および、位相がそろっていること、つまり、コヒーレントな光束であることを意味する。光源１１が出射する光束のスペクトル幅（半値幅）は１０ｎｍ未満であることが好ましい。光源１１としては、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表されるガスレーザーや固体レーザー、外部共振器で狭帯域化された半導体レーザーを用いることができる。光源１１は、連続的に光束を出射してもよいし、パルス状の光束であってもよい。光源１１から出射する光束の波長は、光音響媒質部８において伝搬損失の少ない波長帯内であることが好ましい。例えば、光音響媒質部８としてシリカナノ多孔体を用いる場合は、６００ｎｍ以上の波長を有するレーザーを光源１１として用いることが好ましい。これにより、明るい像１８を得ることができる。光源１１は光軸１３に平行な干渉性の高い光束を生成する。つまり、光束内の光は、波長および位相が揃っている。
【００５１】
光源１１から出射する光束は、音軸７に対して、非垂直かつ非平行な角度で光音響媒質部８を照射する。より具体的には、光束は、光音響媒質部８中の音軸７上において、第１の平面音波９ａが時間τの間に光音響媒質部８を伝搬する距離、つまりτ×νに一致する間隔で位置する２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを照射する。２点Ｐ１、Ｐ２は、光音響媒質部８中の音軸７上においてτ×ν隔てていることが重要であり、２点Ｐ１あるいはＰ２は音軸７上のどこであってもよい。この条件を満たす限り、光源１１から出射する光束はどのような状態で光音響媒質部８に入射していてもよい。本実施形態では、２点Ｐ１、Ｐ２を第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂで照射する。
【００５２】
このために、本実施形態の光音響振動計は、ビームエクスパンダー１２、ビームスプリッター１９および平面鏡２１を備える。光源１１から出射する光束は、まず、ビームエクスパンダー１２を通過することにより、よりビーム径の太い平面波光束１４に整形される。少なくとも平面波光束１４中に光音響媒質部８中を伝搬する第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの伝播領域が含まれるよう、ビーム径は設定される。このようなビーム径の調整は、ビームエクスパンダー１２のビーム拡大率を選択することによってなされる。ビームエクスパンダー１２で十分太いビームを生成し、開口絞り等で生成された光束周辺部を遮蔽することにより、光束断面において均一な光強度を有する平面波光束１４を生成することができる。平面波光束１４の光束断面における光強度の均一化を図ることにより、より良好な像１８を得ることができる。
【００５３】
平面波光束１４は、ビームスプリッター１９を透過することにより、概ね等しい光強度を持ち、かつ、同一断面径を有する第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに分割される。ビームスプリッター１９として無偏光ビームスプリッターを好適に用いることができる。無偏光ビームスプリッターは、入射光の偏波に無関係に所望の光強度比で光束を分割する。無偏光ビームスプリッターには、プリズム型、ぺリクル型（薄膜を反射面に用いたもの）、ウェッジ型、平行平板型、反射面に設けられた誘電体多層膜や金属薄膜などがあり、いずれを用いてもよい。
【００５４】
図１に示すように、第２の平面波光束１４ｂを平面鏡２１で反射させ、平面鏡２１およびビームスプリッター１９の角度を調整することによって、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを、互いに平行な状態で光音響媒質部８に入射させることが好ましい。また、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂの光軸２３、１３および音軸７は同一平面上にあることが好ましい。
【００５５】
音軸７と、光軸１３および光軸２３の交差する角度は等しく、各々９０°−θである。ここで、θは、平面波光束の進行方向、すなわち、光軸１３および光軸２３と、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの波面の成す角度を表す。θは、０°、９０°、１８０°、および、２７０°を除く任意の角度をとることができる。この角度範囲のθにおいてのみ第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂにＢｒａｇｇ回折が生じ、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生成する。第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが回折光２０１が生じるためのθの具体的な設定方法については後述する。
【００５６】
（６）光重畳部２２０
第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、光重畳部２２０によって重ね合わせられる。本実施形態では、光重畳部２２０は平面鏡２２およびビームスプリッター２０を含む。平面鏡２２は、第１の回折光２０１ａを第２の回折光２０１ａが透過するビームスプリッター２０へ向けて反射し、ビームスプリッター２０において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが重ね合わせられる。
【００５７】
（７）像歪み補正部１５
像歪み補正部１５は、光重畳部２２０によって重ね合わせられた回折光が持っている像の歪みを補正する。本実施形態では、重ね合わせられた回折光の断面を一方向に拡大または縮小することによって、重ね合わせられた回折光に表される像の歪みを補正する。像歪み補正部１５の具体的な構成は以下において詳細に説明する。
【００５８】
（８）結像レンズ系１６、受像部１７および画像処理部２０５
結像レンズ系１６は、歪みが補正された回折光を受像部１７の受光部に集光する。受像部１７はＣＣＤなどの光電変換素子によって構成され、これにより像１８が電気信号に変換される。
【００５９】
画像処理部２０５は、受像部１７から入力される電気信号に基づき、画像処理を行い、像１８を構成する。
【００６０】
２．光音響振動計１０１の動作
次に光音響振動計１０１の動作を説明する。
【００６１】
上述したように、光音響振動計１０１では、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射時刻は正確に制御されている。このため、第１の平面音波９ａが点Ｐ１に到達する時刻には、第２の平面音波９ｂは点Ｐ２に到達する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射間隔を１ｎｓの時間精度で制御した場合、５０ｍ／ｓの音速で光音響媒質部８を伝搬する第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの位置誤差は５０ｎｍ以内になる。この位置誤差は、例えば、光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザーの波長６３３ｎｍに換算して０．０７９波長に相当する。したがって、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射時刻を調整することにより、光音響媒質部８中において非常に高い精度で第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの位置を制御することができる。
【００６２】
このように第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの位置を制御することにより、点Ｐ１における第１の平面音波９ａによる第１の平面波光束１４ａの回折光と点Ｐ２における第２の平面音波９ｂによる第２の平面波光束１４ｂによる回折光とは同じ条件で生成する。このため、以下では、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを平面音波９と表し、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを平面波光波２０４として表し、回折光の生成を説明する。
【００６３】
図２（ａ）は、光音響媒質部８において、平面音波９が平面波光束２０４の光路を横切る瞬間に、平面波光束２０４が平面音波９によってＢｒａｇｇ回折される様子を模式的に示している。平面音波９は、光音響媒質部８中を伝播する粗密弾性波である。したがって、光音響媒質部８中には、平面音波９の音圧分布に比例した屈折率分布が生成される。上述したように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは単一周波数の正弦波よりなるため、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂおよび平面音波９も単一周波数の正弦波である。このため、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は、音軸７に平行な方向の周期が平面音波９の波長に等しく、屈折率の大きさが正弦波状に変化し、音軸７に垂直な方向には一様である周期構造となる。
【００６４】
このような屈折率分布は、平面波光束２０４に対して、１次元回折格子として機能する。そのため、平面波光束２０４が、以下で述べる回折条件を満足する角度θで平面音波９に入射すると回折光２０１が生じる。この１次元回折格子は格子面が平面であり、かつ、平面波光束２０４の波面が平面であるので、回折光２０１は平面波光束となる。
【００６５】
光音響振動計１０１においては、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは２周期より十分多い数の正弦波で構成されているため、屈折率分布における粗密の繰り返しも２以上である。したがって、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は１次元回折格子とみなせ、平面波光束２０４はＢｒａｇｇ回折により回折する。Ｂｒａｇｇ回折では、図２（ａ）に示すように、平面波光束２０４と回折光２０１が平面音波９に対して成す角度は等しく、それぞれ角度θである。角度θは、以下で述べるＢｒａｇｇ回折条件を満足する離散的な値である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが２周期程度の少数の正弦波で構成される場合は、回折光２０１は主にＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折により生成される。純粋なＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折は、平面波光束２０４と回折光２０１とが平面音波９の波面に対してなす角度が等しくなくても生じる。Ｂｒａｇｇ回折はＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折より高強度の回折光２０１を生じるので、より音圧の小さい第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂを観察することができ、高解像度の像１８を得るために寄与する。このため、光音響振動計１０１では、波数の多い正弦波よりなる第及び第２の音響波２ａ、２ｂを用いて、主にＢｒａｇｇ回折により生成する回折光２０１を用いることが好ましい。より好ましくは、回折光２０１におけるＢｒａｇｇ回折光の強度の割合は１／２以上である。このためには、平面音波９は、式（４）で示される波面数Ｎmin以上の波面を有するパルス状音波であることが望ましい。なお、式（４）において、ｎaoは光音響媒質８の屈折率、λａは光音響媒質８中での音波波長、λｏは単色光光源からの出射光の光音響媒質８中での波長を表す。
【００６６】
【数４】
【００６７】
例えば、光音響媒質８として音速５０ｍ／ｓのナノフォームを適用し、５ ＭＨｚの超音波を用いた場合、ナノフォームの屈折率はほぼ１であるので、Ｎmin＝１３となる。したがって、この場合、１３波以上の波面数からなるパルス状超音波を用いれば、Ｂｒａｇｇ回折光が主要な回折光成分となる。
【００６８】
平面音波９によって生成された屈折率分布による１次元回折格子におけるＢｒａｇｇ回折条件を説明する。図２（ｂ）に示すように、平面音波９によって生成された回折格子２０２の格子間隔は、光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９の波長λａに等しい。平面波光束２０４中の１本の単色光光線を単色光２０３とする。また、単色光２０３の波長をλｏとする。単色光２０３が回折格子２０２に入射した場合、各格子において微弱な散乱光が生成される。隣り合った格子面からの散乱光に着目すると、各格子面で同じ方向に散乱された２光線の光路長差（２×λａ×ｓｉｎθ）が、波長λｏの整数倍（ｍ×λ０，ｍ＝±１，±２，…）に等しいとき、２つの散乱光は強め合う。この強め合いが他の格子面でも生じるため、全体として高強度の散乱光、すなわち回折光を生じる。以上の理由により、回折光が観測される角度θは式（１）で表される。
【００６９】
【数１】
【００７０】
式（１）はＢｒａｇｇ回折の条件であり、格子面に対する入射光線と出射光線の角度θを規定する。ｓｉｎ-1は逆正弦関数を表す。純粋なＢｒａｇｇ回折は、回折格子２０２が無限数の格子面より構成される場合に生じる回折現象をいう。図２（ｂ）に示すように、格子面に対する入射光線と出射光線の角度は等しくθとなる。Ｂｒａｇｇ回折では、一般には次数ｍが小さいものほど高強度の回折光２０１が得られる。したがって、より弱い第１及び第３の散乱波５ａ、５ｂを観測するためにはｍ＝±１の回折光２０１を用いることが好ましい。図１に示す光音響振動計１０１において、回折光２０１はｍ＝＋１の回折光を示しているが、ｍ＝−１の回折光を用いた光音響振動計１０１を実現してもよい。
【００７１】
図２（ｃ）は、Ｂｒａｇｇ回折により、平面音波９の波面上での音圧分布が、回折光２０１の断面における光強度分布に反映されることを説明するための模式図である。図２（ｃ）に示すように、一般に平面音波９は、波面面内で、対象物４の形状等（正確には対象物４の表面の弾性特性）を反映した非一様な音圧分布を有している。光音響媒質部８中の屈折率変化の空間分布は平面音波９の音圧分布に比例するので、回折格子２０２の格子面上の屈折率変化量の面内分布は非一様である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのパルス継続時間内での対象物４の変位は微小で、静止しているとみなせると仮定する。この場合、回折格子２０２の格子面上の屈折率分布は、全ての格子面で同一であるので回折格子２０２は１次元回折格子となり、回折光２０１は主にＢｒａｇｇ回折により生じる。回折光２０１の振幅（＝光強度の１／２乗）は屈折率変化量に比例するので、回折光２０１の振幅は平面音波９の音圧分布に比例する。したがって、回折光２０１の波面上の光振幅分布は平面音波９の音圧分布に比例する。つまり、回折光２０１は、対象物４を直接観察した場合に得られる光と同様、対象物４の形状等を反映した強度分布を有している。
【００７２】
図１にもどり、再び光音響振動計１００の説明を続ける。上述したように、位置Ｐ１、Ｐ２において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生成する。第１の音響波ａと第２の音響波２ｂの生成時刻はτずれているため、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、時間τを隔てた２つの時刻における対象物４の形状を反映した強度分布を有する。対象物４が全く移動あるいは変位していない場合には、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは互いにまったく等しい強度分布を有する。
【００７３】
図１に示すように、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、平面鏡２２およびビームスプリッター２０含む光重畳部２２０によって、重ね合わせられる。第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの中心位置、および、光束波面全面における波面ずれが、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂの波長で換算して１波長未満となるよう平面鏡２２とビームスプリッター２０の位置と角度を調整する。像１８上に対象物４の変位に無関係な干渉縞が重畳されるのを抑制するためには、上述した中心位置および波面ずれはできるだけ小さいことが好ましい。
【００７４】
重畳した回折光２０１’は像歪み補正部１５に入射する。像歪み補正部１５の動作について、図３（ａ）を参照し説明する。図３（ａ）は、光音響振動計１０１において回折光２０１’が１方向に収縮していることを示した模式図である。便宜上、平面音波９によって重畳した回折光２０１’が生じるとして示している。
【００７５】
式（１）からわかるように、回折条件を満足するためには、平面波光束１４は平面音波９に対して斜めに入射しなければならない。ここで、平面音波９のビーム形状を直径Ｌの円形とし、回折光２０１’の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とする。上述したように、平面波光束１４は平面音波９を包含するビーム径を持つこと、および、平面音波９の存在する領域においてのみ回折光２０１’は生成されることから、回折光２０１’のビーム形状は、図３（ａ）に記した座標系においてｙ軸方向に短径Ｌ×ｓｉｎθ、ｘ軸方向に長径Ｌを持った楕円形となる。すなわち、回折光２０１’の波面上における光振幅分布は、平面音波９の波面上での音圧分布をｙ軸方向にｓｉｎθ倍した分布に比例する。
【００７６】
このため回折光２０１’をそのまま、結像レンズ系１６によって結像し、像１８を生成した場合、像１８はｙ軸方向へ歪んだ光学像となり、対象物４と実像１８との相似性が失われる。言い換えれば、回折光２０１’はｙ軸方向への歪曲収差を有している。そこで、像歪み補正部１５により回折光２０１’の歪みを補正する。
【００７７】
本実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズム３０１より構成される。図３（ｂ）は、アナモルフィックプリズム３０１の構成および作用を示した模式図である。図３（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、２個のくさび状プリズム３０３を含む。くさび状プリズム３０３の作用について図４を参照して説明する。図４は、くさび状プリズム３０３を透過する光線の様子を示した光線追跡図である。くさび状プリズム３０３は、屈折率ｎの回折光２０１に対して透明な材料によって構成され、２つの平面３０３ａ、３０３ｂを有する。平面３０３ａと平面３０３ｂとのなす角度をαとし、平面３０３ａに光束が入射する角度をおよび出射する角度を法線に対してθ1およびθ2とする。また、平面３０３ｂから光束が出射する角度を、法線に対してθ3とする。２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における、平面３０３ａへ入射する光束の幅をＬｉｎ、平面３０３ｂから出射する光束の幅をＬｏｕｔとする。この時、式（２）の関係が成立する。
【００７８】
【数２】
【００７９】
また、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における入射する光束とくさび状プリズム３０３から出射する光束のビーム径は異なる。Ｌｏｕｔ／Ｌｉｎで計算される光束拡大率は式（３）で示される。
【００８０】
【数３】
【００８１】
式（２）、（３）から分かるように、くさび状プリズム３０３のα、ｎおよび角θ1を適切に選択することにより、所望の光束拡大率を実現することができる。光束拡大率は、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面に垂直な方向では、α、ｎおよび角θ1にかかわらず、変化しないため、くさび状プリズム３０３を用いれば、図３（ａ）に示す回折光２０１のｙ軸方向の幅を調整できる。
【００８２】
図３（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、図４に示したくさび状プリズム３０３を１個以上組み合わせることにより構成される。図３（ｂ）に示すように、２つの同一形状のくさび状プリズム３０３を用いると、アナモルフィックプリズム３０１への入射光と出射光を平行にすることができ、光学系調整が容易である。
【００８３】
このように、アナモルフィックプリズム３０１は光束ビーム径の拡大光学系として動作する。光音響振動計１００において、くさび状プリズム３０３のα、ｎと入射角θ1を選び、図３（ｂ）に示すように回折光２０１光束をｙ軸方向に１／ｓｉｎθ倍拡大する。これにより、直径Ｌの円形状の光束断面を有する歪み補正後の回折光３０２が得られる。したがって、歪み補正後の回折光３０２はその波面上において、平面音波９の波面上における音圧分布に比例した光振幅分布を有する。すなわち、歪み補正後の回折光３０２は、平面音波９とは波長が異なるものの、平面音波９の波面上の音圧分布を全て光振幅分布として再現しているため、対象物４と相似な像１８が生成され得る。
【００８４】
図１に示すように、歪み補正後の回折光３０２は焦点距離Ｆを持つ結像レンズ系１６により集光される。歪み補正後の回折光３０２は平行光束であるので、結像レンズ系１６の光軸上の結像レンズ系１６から焦点距離Ｆを隔てた、光軸に垂直な平面（焦点面）上に回折光３０２が集光され実像１８を形成する。この位置に、受像部１７を配置することによって、実像１８を電気信号に変換することができる。
【００８５】
画像処理部２０５は、受像部１７から入力される電気信号に基づき、画像処理を行い、実像１８を構成する。このようにして、光音響振動計は、対象物４を撮影することができる。
【００８６】
次に、本実施形態の光音響振動計における、対象物４および像１８の大きさの関係を説明する。本実施形態の光音響振動計は、焦点距離ｆ、および、Ｆを持つ２つの光学レンズより構成される二重回折光学系の変形光学系とみなすことができる。図５（ａ）に、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概略図を示す。
【００８７】
図５（ａ）に示す二重回折光学系において、レンズ４０３とレンズ４０４は、それぞれ焦点距離ｆおよびＦを有する。両レンズは焦点距離ｆ＋Ｆだけ離れた光軸４０９上に配置されている。また、両レンズ光軸は光軸４０９と一致している。一般に、焦点距離ｆｌを持つ凸レンズは、レンズを中心としてレンズからｆｌ離れた光軸上の２点に焦点を有する。フーリエ光学によれば、凸レンズの一方の焦点に置かれた物体と、もう一方の焦点における光学像は互いにフーリエ変換の関係にある。したがって、レンズ４０３による対象物４０１のフーリエ変換像が、もう１つの焦点面（すなわち、焦点を含み、光軸に垂直な平面）であるフーリエ変換面４０２に形成される。フーリエ変換面４０２はレンズ４０４の焦点面でもあることから、フーリエ変換面４０２上に形成された対象物４０１のフーリエ変換像のフーリエ変換像が、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される。すなわち、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される光学像は、対象物４０１に２回フーリエ変換を行ったものに相当する。２回フーリエ変換は相似写像（大きさを定数倍し、図形の向きだけを変換する写像）であるので、対象物４０１の２回フーリエ変換像である実像４０５は、対象物４０１と相似な図形となる。なお、実像４０５は対象物４０１の反転像としてレンズ４０４の焦点面に表れ、またレンズ４０３とレンズ４０４の焦点距離が異なることより、実像４０５の大きさは対象物４０１のＦ／ｆ倍となる。このように、図５（ａ）の二重回折光学系においては、対象物４０１と相似な光学画像が実像４０５として出現し、ＣＣＤなどの撮像素子をレンズ４０４の実像が形成される方の焦点面に設置すれば、対象物４０１の撮像ができる。
【００８８】
本実施形態の光音響振動計は、２つの光学系の一方が音響系に置き換わっている二重回折光学系とみなせる。図２および図３を参照して説明したように、本実施形態の光音響振動計における第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ａの生成、および、像歪み補正部１５は、波長λａの平面波である平面音波９の波面上での振幅分布（音圧）を、波長λｏの平面波である歪み補正後の第１及び第２の回折光２０２ａ、２０２ｂの振幅分布（光）に変換（転写）する音響光変換部４０６とみなすことができる。したがって、本実施形態の光音響振動計は、光学系および音響系が混在する光音響混在型光学系であり、図４（ａ）に示すレンズ４０３およびレンズ４０４を、図４（ｂ）に示すように、音響レンズ系６および結像レンズ系１６に置き換え、これら２つのレンズ系の間に、波長をλａからλｏに変換する音響光変換部４０６で音響波から光波に変換することによって、本実施形態の光音響振動計は、は図４（ａ）に示す二重回折光学系と同様の動作を行う。したがって、フーリエ光学より、図４（ｂ）の光音響混在型光学系においても、図４（ａ）と同様に、対象物４０７と相似な光学画像が倒立した実像として結像レンズ系１６の焦点面上で得られる。
【００８９】
ただし、音響光変換部４０６の前後で波長はλａからλｏに変わる。図４（ｂ）の光音響混在型光学系において、対象物４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍となる。λｏ／λａが極端に小さい場合、すなわち、平面波光束１４の波長に比べ、光音響媒質部８での音響波の波長が非常に長い場合は、Ｆ／ｆを大きくとって（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくし、実像１８が極端に小さくならないようにすることによって、受像部１７で得られる光学画像の分解能が落ちないようにすることが好ましい。
【００９０】
次に光音響振動計１０１において撮影される像１８を説明する。上述したように像１８は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂで発生した第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂによる光学像が重畳されたものである。第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは異なる時刻に発射された第１及び第２の音響波２ａ、２ｂによる第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂに相当するので、像１８は異なる時刻における対象物４の光学像が重なっている。対象物４が静止している場合、対象物４の異なる時刻における２つの光学像は一致し、像１８は対象物４に相似な光学像となる。しかし、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射される間に対象物４が移動または変位している場合、像１８は対象物４に相似な光学像に加え、変位量に応じた光学的干渉縞が重畳された光学像となる。
【００９１】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射された時刻において、対象物４は互いに異なる２つの状態であったと仮定する。対象物４の変位速度は十分に緩慢で、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成するパルス幅に相当する時間では対象物４は静止しているとみなすことができると仮定する。この仮定は、例えば、媒質３中での第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの音速に比べ、対象物４の変位速度が十分小さい場合に成立する。例えば、体内における器官の運動、より具体的には、体内における心臓壁や動脈血管壁の運動状態を観察する場合、この条件を満足している。
【００９２】
図６は、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂから生成した２つの異なる像が重畳される様子を示している。第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが対象物４にそれぞれ到達した時、対象物４は、像１４１および像１４２で示される外形であると仮定する。図６では、説明の便宜上、像１４１は平面であり、像１４２は図中に付記した座標軸のｚ軸方向に湾曲した曲面であるとする。像１４２は頂点において像１４１に接触している（頂点において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの位相差はゼロ）。また、ｚ軸は結像レンズ系１６の光軸に平行であり、ｚ軸方向に測った像１４１に対する像１４２の変位量の最大値は、光源１１から出射する光束の波長λｏに換算して１０波長程度であると仮定する。この仮定の下で、焦点ずれによる受像部１７面上での像１４２の劣化は無視できる。従って、図１の像１８に相当する重畳後の像１４６は像１４１と同様に平面である。これらの仮定は、体内における心臓壁や動脈血管壁の運動状態を観察する場合には成立する。
【００９３】
図６に示す、光束１４３、１４４は、図１において示す重畳した回折光２０１’または回折光３０２に相当する球面波である。これらは、図におけるｘｙ平面において、異なる位置の像点を与える。
【００９４】
光束１４３は、重畳後の像１４６上の像点１４７の光量を決定する。図６では像１４１と像１４２が一致しているため、重畳された第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂは完全に重なっており位相差はゼロである。従って、重畳される２つの球面波は互いに干渉し、像点１４７は高い輝度を示す。
【００９５】
一方、光束１４４は第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂを含み、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂ２のｚ軸方向に測った光路長差１４５は光源１１の光束の波長λｏに換算して３／２波長である。このような１／２波長の奇数倍の光路長差１４５を持つ球面波は互いに逆相にあるために干渉により弱め合う。従って、光束１４４が光量を決定する重畳後の像１４６上の像点１４８の輝度は低下する。
【００９６】
このように、重畳後の像１４６には、対象物４に相似な光学像上に、対象物４の時間τにおける音軸７方向の変位または移動が、その変位量または移動量に応じた輝度によって重畳されている。図６では、ｙ軸方向においては光路長差１４５が一定でありｙ軸方向のみ変化するため、重畳後の像１４６は平面状の実像にｘ軸に平行な干渉縞が重畳された光学像となる。
【００９７】
重畳後の像１４６の濃淡より、時間τにおける対象物４の変位量の絶対値の分布や、変位量を時間τで割ることにより得られる対象物４の速度の絶対値の分布を求めることができる。図６においては、像点１４７と像点１４８の間を結ぶ直線と交差する干渉縞は１．５周期分である。したがって、像点１４７と像点１４８における像１４１と像１４２の光路長差は１．５λｏである。光音響振動計１０１において、像１８上における長さ１．５λｏは対象物４上で１．５×ｆ／Ｆ×λａに相当する。このことより、時間τにおける像点１４７と像点１４８に対応する対象物４上の２点の変位量の差の絶対値を読み取ることが可能であり、１．５×ｆ／Ｆ×λａで求められる。
【００９８】
なお、像１４２および像１４１が頂点において接しない場合、頂点において第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの位相差はゼロではない。しかし、この場合、像１４２を構成する第２の回折光２０１ａの位相が全体として同じ位相差で、像１４１を構成する第１の回折光２０１ｂに対してシフトいるだけである。このため、像点１４７と像点１４８における像１４１と像１４２の光路長差は同様に１．５λｏとなる。
【００９９】
このように本実施形態の光音響振動計によれば、時間τだけ異なる２つの時刻における対象物の像が重畳された光学像が得られる。この時間τの間に対象物の形状（正確には、弾性係数の空間分布）が変化している場合、重畳される２つのＢｒａｇｇ回折光は、形状の変化量（音響波の伝播波長で換算した変化量）に応じた位相差を有している。従って、重畳された光学像は、Ｂｒａｇｇ回折光の干渉現象により、この位相差に応じた強度変化を伴った像として受像部で検出される。例えば、対象物のある位置における変位量が１／２波長の奇数倍に相当する場合、像上のその位置における光強度は減少し、変位量が１／２波長の偶数倍に相当する場合、像上のその位置における光強度は増大する。このように、受像部で取得される光学像は、対象物の像に対象物の形状の変化量に応じた干渉縞が重畳された画像となる。取得された１つの画像に記録された干渉縞の本数を数えることにより、対象物の形状変化量分布、ならびに、変化速度分布を知ることが可能となる。
【０１００】
したがって、本実施形態の光音響振動計は、１回の撮影で、音響波の伝播波長程度の空間分解能で対象物の形状情報を取得し、かつ、形状変化量分布および変化速度分布を取得することができる。このような画像は、２つの回折光を重畳し、撮像素子などどの受像部によって重畳した光を検出することによって得られ、時間τだけ異なる２つの時刻における対象物の像を個別に取得したり、信号処理する必要がない。したがって、本実施形態の光音響振動計は、簡単な構成によって、高速で運動する対象物の変位や移動を、高い空間分解能で計測することが可能である。
【０１０１】
光音響振動計１０１により撮影される像１８の具体例を説明する。図７に示すように、対象物４として共振している正方形の太鼓の皮１９１に、スピーカ１９２送信される単色音波１９３を照射し、反射する散乱波を、矢印１９４で示すように太鼓の皮１９１に対して垂直な方向から検出する。単色音波１９３の周波数は太鼓の皮１９１の共振周波数に一致している。したがって、太鼓の皮１９１は共振し、単色音波１９３の周波数と同一周波数で単振動を繰り返す。その結果、太鼓の皮１９１は図１９に示したような振幅分布を示す。
【０１０２】
太鼓の皮１９１の最大振幅は２．５×ｆ／Ｆ×λａであるとする。太鼓の皮１９１の変位量が全領域でゼロとなる時、および、最大振幅を示す時の２つ時刻において単色音波１９３を照射する。この時、光音響振動計１０１により撮影される太鼓の皮１９１の像１８を図８に示す。像１８は、正方形の太鼓の皮１９１に対して縞模様が重畳された実像１８となる。
【０１０３】
なお、光音響振動計１０１は、音響レンズ系６の音軸７と平行な方向における時間τにおける対象物４の変位や移動に対して高い検出感度を示すが、音軸７に垂直な平面における対象物４の変位や移動を検出感度は低下する。
【０１０４】
図９に示すように用いられる対象物４が球であり、球の半径および、球の中心位置が時間的に変化して場合を考える。具体的には、点線で示すように、座標の原点に中心が位置し、半径１１．１１×（ｆ／Ｆλａ）の対象物４が、時間τ後、（−０．５６，−０．５６，−０．５６）×（ｆ／Ｆλａ）の位置に中心が位置し、半径１２．０７×（ｆ／Ｆλａ）の対象物４’になった場合を考える。
【０１０５】
第１及び第２の音響波１９３ａ、１９３ｂの波長をλａ、とし、音響レンズ系６および結像レンズ系１６の焦点距離をｆおよびＦとする。第１及び第２の音響波１９３ａ、１９３ｂは、球の表面でのみ反射し、球内部での反射を考慮しない。また、反射波をx軸の正方向から検出する。
【０１０６】
図１０は、光音響振動計１０１により撮影される像１８を示している。図１０に示すように、像１８は、対象物４および４’の像と縞模様とを含んでいる。縞模様は、球の右上を中心とし、周囲に向かうに従って間隔が狭くなっている。これは、図９に示すように（１，１，１）方向において、対象物４および対象物４’の表面が最も接近しているためである。また、縞模様は図２０中、点線示した対象物４’内のみに現われている。これは、２つの対象物４、４’の像がx軸方向において重なり合う領域においてのみ干渉が起こるためである。つまり、縞模様は、対象物４と対象物４’とx軸方向への変位量を示しており、ｙ方向およびz方向への変位は縞模様として現れない。なお、本計算においては、音響レンズ系６と結像レンズ系１６の分解能などの結像特性は考慮していない。従って、実際に得られる像１８は、両レンズ系の分解能による影響があるために、図１０に示した画像よりも球の輪郭がぼやける。
【０１０７】
このように本実施形態の光音響振動計によれば、所定の時間間隔で送信される第１及び第２の音響波を対象物に照射することによって、異なる時刻における散乱波を生成し、散乱波による平面音波によって光音響媒質部中に生じた屈折率分布による回折光をそれぞれ生成する。生成した２つの回折光を重ね合わせることによって、干渉が得られるため、所定の時間における対象物の変位や移動を検出することができる。
【０１０８】
本実施形態では、光音響振動計１０１の音響レンズ系６の焦点距離は固定されているが、上述したように音響レンズ系６は通常の写真レンズのような合焦機構（焦点調節機構）を有していても良い。音響レンズ系６の焦点が固定されている場合、シャープな像１８が得られるのは、音響レンズ系６の焦点面近傍領域（正確には音響レンズ系６の光学特性と受像部１７の画素サイズより決定される被写界深度内）に位置する対象物４のみである。そこで、音響レンズ系６の焦点位置を調整し得る機構を音響レンズ系６に設けることにより、対象物４を光軸方向に撮像することが可能となる。このように、合焦機構を設けることにより、三次元領域の撮影が可能となる。
【０１０９】
また、本実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、音波吸収部１０から対象物４の方向に傾けて、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射している。しかしながら、図１１（ｂ）に示すように、対象物４側から音波吸収部１０方向に傾けて第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射してもよい。ただし、図１１（ｂ）に示すように第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射する場合、図１１（ａ）の構成で生成される実像に対して、図１１の紙面を鏡像対称面にとした鏡像関係にある実像が得られる。そのため、対象物４の正しい向きの実像１８を得るためには、撮影された画像に対して、平面鏡などで１回反射させて光学的に鏡像反転させたり、画像処理部２０５によって鏡像反転を行う必要がある。
【０１１０】
また、本実施形態では、像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用いたが、同様の光学的作用を有する他の光学系を用いてもよい。例えば、例えば、２枚の集光型シリンドリカルレンズを用いて像歪み補正部１５を構成してもよい。図１２に示すように、シリンドリカルレンズ１５１は、図中に設定した座標系のｙｚ面に平行な面内においては集光レンズとして機能するが、ｘｚ平面に平行な平面においては集光作用をもたない光学素子である。図１３に示すように、集光作用のある平面が互いに直交した２枚のシリンドリカルレンズ１６１、１６２を組み合わせた光学系は、像歪み補正部１５と結像レンズ系１６の作用を兼ね備えた光学系として機能する。図１３に示すように、シリンドリカルレンズ１６１は、ｘｙ平面の光をｙ軸に平行な直線上に集光し、シリンドリカルレンズ１６２はｙｚ平面の光をｘ軸に平行な直線上に集光する。シリンドリカルレンズ１６１の方がシリンドリカルレンズ１６２よりも長い焦点距離を有することによって、ｙｚ平面とｘｚ平面で異なる比率で結像する光学系として機能する。この光学系を図７（ａ）に示す座標において、同じ方向に配置すれば、光音響振動計１０１の像歪み補正部１５として好適に機能する。具体的には、図３における光束の扁平率ｓｉｎθを補正するように、ｙ軸方向とｘ軸方向の像の比率が１／ｓｉｎθとなるように、両レンズの焦点距離を選ぶ。より具体的には、シリンドリカルレンズ１６２の焦点距離が、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離のｓｉｎθ倍になるように選択する。この場合、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離は、対象物４と実像１８の相似比より決定される。
【０１１１】
（第２の実施形態）
以下、本発明による光音響振動計の第２の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態の光音響振動計１０２を模式的に示している。光音響振動計１０２は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂとして超音波を用い、非侵襲的に人や動物等の体内器官を撮像する。図１４に示すように、光音響振動計１０２は、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じ構成を備えているが、従来の超音波プローブと同様に図１に示した光音響振動計１０１の全て、あるいは、光源１１を除く構成をプローブ２１３内に備えている。
【０１１２】
図１４に示すようにプローブ２１３の探触面２１３ａに、音響波源１および音響レンズ系６が配置されている。図１４に示すように、撮像時、プローブ２１３の探触面２１３ａを被検者２１０の体表面に接触させ、体内から音響波源１から発生した第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを体内中に送波する。この時、体表面での反射減衰を低減させるために、探触面２１３ａと体表面との間に整合用ジェルやクリーム、音響インピーダンス整合層を介在させ、音響インピーダンスの整合を取ることが好ましい。
【０１１３】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、体組織２１２を伝搬し、器官２１１において、反射、散乱され、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂとなる。第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは、音響レンズ系６に到達し、音響レンズ系６により平面波に変換され、第１の実施形態で説明したように器官２１１の画像を得ることができる。光音響振動計１０２の音軸７（不図示）に垂直な面内にあり撮像領域外にある器官２１１の撮像は、従来の超音波プローブと同様に光音響振動計１００を体表面で移動させることにより行うことができる。また、体内の異なる深さにある器官は、第１の実施形態で説明したように音響レンズ系６の焦点調整機構によって、焦点距離を調整し、撮影することができる。
【０１１４】
光音響振動計１０２を実現し得る具体的な構成例を、図１５を参照しながら説明する。
音響波源１から、例えば周波数１３．８ＭＨｚの正弦波２０波により構成されるバースト信号を出射する。このバースト信号の信号継続時間は１．４μｓｅｃである。また、体組織２１２中での音速は約１５００ｍ／ｓであるので、体組織２１２中における超音波正弦波の波長は約１１０μｍであり、超音波の進行方向に平行に測ったバースト信号の物理的な信号長は約２．２ｍｍである。したがって、この場合、最大で数１００ｋＨｚの振動数で振動している器官２１１を数１００μｍの空間分解能で撮影することができる。
【０１１５】
光音響媒質部８として、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体を用いる。シリカナノ多孔体は、低音速であり、超音波の伝播波長が短いので大きな回折角が得られる。また、シリカナノ多孔体は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有している。このほか、フロリナートも波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有して十分な透光性を有し、フロリナートの音速は約５００ｍ／ｓであるため、光音響媒質部８として適している。
【０１１６】
光源１１として波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いる場合、１次回折光の回折角は５°となる。また、この場合、像歪み補正部１５で実現しなければならないビーム拡大率は約５．７４で、これは市販のアナモルフィックプリズムで補正可能な値である。
【０１１７】
体内に照射可能な音響波の音圧には、安全性のため、上限が設けられている。そのため、生成される回折光の光強度が弱く、受像部１７としては感度の高いものが望ましい。また、画質や光量の観点から、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂをよぎる瞬間の像１８を捉えるため、更には、連写によって対象物４の動きを観測するため、受像部１７としては高速に撮像できる撮像素子を用いることが好ましい。例えば、受像部１７としては、高速のＣＣＤイメージセンサー（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を用いる。実像１８の輝度が足りず撮像が困難な場合は、イメージ増倍管を上記イメージセンサーの直前に配置し、像１８の輝度を高めるか、または、より高出力の光源１１を用いることが好ましい。
【０１１８】
音響レンズ系６の説明で述べたように、音響インピーダンスの異なる音響媒質間の界面では音響波の反射が生じ、像１８の輝度や像質の低下を招く。界面における音響インピーダンス差が大きいほど、反射も大きくなる。このため、図１５に示すように、音響レンズ系６と媒質３との界面に反射防止膜を設けことが好ましい。例えば、音響レンズ系６の媒質３（体組織２１２）に接触するレンズを、音速５０ｍ／ｓ、密度０．１１ｇ／ｃｍ3のシリカナノ多孔体によって構成する場合、６．２μｍの厚さを有し、音速３４０ｍ／ｓ、密度０．２／ｃｍ3のシリカナノ多孔体からなる、１／４波長反射防止膜をレンズの表面に形成することが好ましい。
【０１１９】
受像部１７上で、対象物４に比べて１／５の大きさの像１８を得る場合、Ｆ／ｆ＝１．１４となる。第１の実施形態で説明したように、対象物４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍であるので、（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）＝１／５の関係式が成立する。そのため、Ｆ／ｆ＝λａ／λｏ／５となり、光の波長λｏ＝６３３ｎｍと、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体の１３．８ＭＨｚ超音波の光音響媒質部８中の波長λａ＝３．６μｍを代入すれば、Ｆ／ｆ＝１．１４が得られる。したがって、焦点距離５０ｍｍを有する音響レンズ系６を用いる場合、焦点距離５７ｍｍの結像レンズ系１６を用いることになる（Ｆ＝１．１４×ｆ＝１．１４×５０ｍｍ）。
【０１２０】
図４を参照して説明したように、対象物４に対する実像１８の相似比（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくする場合、結像レンズ系１６の焦点距離が長くする必要があり、光音響振動計１０２が大型化する。この場合、結像レンズ系１６として、例えば、カセグレン光学系に代表される折り返し型反射光学系を用いることによって、この課題を解決することができる。折り返し型反射光学系の適用により、結像レンズ系１６と実像１８の距離を実際の焦点距離Ｆよりも近づけて配置することが可能となり、光音響振動計１０２を小型化することができる。
【０１２１】
また、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆよりも近づけて配置することによっても、光音響振動計１０２の小型化を図ることができる。図４を参照しながら、光音響振動計１０１の光音響混在型光学系は、光学分野における二重回折光学系とみなせることを説明した。二重回折光学系の基本構成は、音響レンズ系６と結像レンズ系１６を各々レンズの焦点距離の和ｆ＋Ｆだけ離して配置する。しかしながら、音響レンズ系６と結像レンズ系１６間の距離をｆ＋Ｆ以外の値に設定しても、実像１８の光学像形成には影響しない。すなわち、実像１８の光学像を光強度分布として取得する限り（あるいは、実像１８の位相分布情報を観測しない限り）、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆより短縮しても良く、光音響振動計１０２を更に小型化することができる。
【０１２２】
本実施形態では、体内から人や動物等の体内器官を撮像する光音響振動計１０２の例を説明したが、本発明の光音響振動計は、カテーテルや内視鏡、および、腹腔鏡等を通じて体内から器官や血管壁を撮像する光音響撮像として実現してもよい。
【０１２３】
（第３の実施形態）
本発明による光音響振動計の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態の光音響振動計は、音響レンズ系６の構成が異なることを除き第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、音響レンズ系６の構成のみを説明する。図１６は、本実施形態における音響レンズ系６の構成を示している。
【０１２４】
第１の実施形態では、音響レンズ系６は全てシリカナノ多孔体で構成されていた。シリカナノ多孔体は、作製条件を調整することにより、シリカナノ多孔体中の超音波などの音響波の音速を広範囲に変えることができるという利点がある。媒質３の音速に対するシリカナノ多孔体の音速の比は、光学系における屈折率に相当する。つまり、シリカナノ多孔体は、様々な（超音波に対する）屈折率を実現しやすいフレキシブルな音響媒質である。そのため、シリカナノ多孔体を音響レンズ系６の構成部材として適用すると、音響波に対する屈折率の広範な選択性のため、音響レンズ系６の設計自由度が広がり、通常の多群構成の光学レンズと同様に各収差を良好に補正し、イメージサークルの広い音響レンズ系６を構成することができる。なお、イメージサークルとは、良好な結像特性が得られる焦点面上の領域を意味する。
【０１２５】
第１の実施形態の音響レンズ系６はこのような利点を有するが、シリカナノ多孔体同士を接合する必要があり、それに付随した以下に述べる課題が生じる。例えば、音響レンズ系６が単レンズ構成であったとしても、図１５に示した具体例のように光音響媒質部８にシリカナノ多孔体を適用する場合には、シリカナノ多孔体同士の接合が必要となる。また、音響レンズ系６が多群レンズ構成であり、光学分野のアクロマートレンズのように張り合わせレンズが必要となる場合にも、シリカナノ多孔体同士の接合が必要となる。
【０１２６】
シリカナノ多孔体と空気の音響インピーダンスは大きく異なる。したがって、接合面における反射波の生成を抑圧するためには、シリカナノ多孔体同士の接合面間に空気層が挟まれないように作成することが重要である。しかしながら、シリカナノ多孔体の作成プロセス上、空気層を挟まないように接合することは極めて難しい。したがって、第１の実施形態における音響レンズ系６では、接合面における反射波発生を抑圧することが困難である。
【０１２７】
本実施形態の音響レンズ系６は、このような課題を解決するために、反射型音響系で構成されている。図１６は、音軸７０６を含む平面における音響レンズ系６の断面図である。音響レンズ系６は、音響導波路７０５と、音響導波路７０５の内部に設けられた反射面である主鏡７０２および副鏡７０１を有する。また、音響導波路７０５内部に光音響媒質部が形成されている。音響導波路７０５は、図１６の紙面を鏡像対称面とした鏡像対称の構造を有する。図１６に示す断面構造を、音軸７０６を軸として１８０度回転させる。得られた回転体を、音軸７０６を含む平面を鏡像対称面として、鏡像対称面を挟み、これに平行な２平面で切断する。これにより、音響導波路７０５の立体形状が得られる。このような音響導波路７０５は、例えば、切削加工等で反射面を持った金属製の音響導波路７０５を作成し、作成した音響導波路中に等方的なシリカナノ多孔体を封入して、光音響媒質部８と音響レンズ系６を一体整形する。このようなプロセスによってシリカナノ多孔体同士の接合部位を全て排除しながらも、収差補正の良好な音響レンズ系６を得ることができる。
【０１２８】
本発明に好適な反射型光学系の例としては、図１６に示しように、凹面鏡である主鏡７０２と凸面鏡である副鏡７０１により構成されるカセグレン型光学系がある。更に主鏡７０２と副鏡７０１の面形状としてリッチー・クレチアン光学系を適用すれば、短焦点化した際のカセグレン型光学系の残存収差を良好に補正することができ、広いイメージサークルを実現することができる。リッチー・クレチアン光学系には焦点７０４に像面湾曲が残るので、シリカナノ多孔体の焦点側の界面（反射防止膜７０３を施してある面）に曲面加工を施して補正レンズとして機能させ、この像面湾曲を補正することができる。反射型光学系として、副鏡７０１に凹面鏡を使うグレゴリー型光学系や、シュミット・カセグレン型光学系などの他のカタディオプトリック型光学系を用いてもよい。
【０１２９】
音響レンズ系６として反射型光学系を適用することにより、作成が困難な複数種類のシリカナノ多孔体の接合を行うことなく、単一のシリカナノ多孔体のみで収差が良好に補正された音響レンズ系６を構成できる。音響レンズ系６近傍における反射波発生がないため、高輝度で像質の良い実像１８の取得が可能となる。このため本実施形態によれば、より高輝度で高画質な画像を得ることのできる光音響振動計を実現することができる。
【０１３０】
（第４の実施形態）
本発明による光音響振動計の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態の光音響振動計は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１７は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。
【０１３１】
第１の実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いた光学系を備えていた。これに対し、本実施形態の像歪み補正部１５は、受像部１７により得られる実像８０１の信号に所定の処理を行い、画像処理によって実像８０１の補正を行う。
【０１３２】
図１７に示すように、本実施形態では、アナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いることなく、歪んだままの回折光２０１を結像レンズ系１６で結像させる。この場合、実像８０１はｙ軸方向に歪んでいるが、この状態のまま実像８０１を受像部１７で取得する。画像処理部２０５は、受像部１７から実像８０１を示す電気信号を受け取り、画像処理により実像８０１の像歪みを取り除く。例えば、図１７に示す座標系において、実像８０１をｙ方向に１／ｓｉｎθ倍する画像処理を行うことによって、対象物４と相似な画像を生成する。
【０１３３】
本実施形態の像歪み補正部１５を用いれば、光音響振動計の構成に必要な光学素子の数を減らすことができるため、音響撮像装置を小型で低コストに提供することが可能となる。
【０１３４】
なお、回折角θが小さい場合、受像部１７の撮像面上では、対象物４が、図７で設定した座標のｙ軸方向に大きく伸張して撮影される。このため、画像処理後の画像解像度がｘ軸方向、ｙ軸方向で異なる。この場合、図８に示す、光学的な像歪み補正部１５と、本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５との両方を光音響振動計が備えることにより、ｘ方向およびｙ方向における画素解像度をほぼ等しくすることが可能となる。
【０１３５】
また、図７に示した光学的な像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用い、さらに本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５を用いる場合、多数の回折光２０１のアナモルフィックプリズム３０１への入射角度が異なることに起因する像面歪曲が発生するので、その収差補正も本実施形態の画像処理を行うことが好ましい。
【０１３６】
（第５の実施形態）
本発明による光音響振動計の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態の光音響振動計は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１８は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。回折光の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とした場合、本実施形態の像歪み補正部１５は、図１８に示す座標のｘ軸方向に回折光２０１の光束幅をｓｉｎθ倍する縮小光学系９０１を含む。平面音波９の音束の断面形状が直径Ｌの円形であるとすると、回折光２０１の光束の断面形状は、ｘ軸方向にＬ、ｙ軸方向にＬ×ｓｉｎθの楕円となる。縮小光学系９０１により、回折光２０１はｘ軸方向にｓｉｎθ倍されるため、歪み補正後の回折光９０２の光束の断面形状は、直径Ｌ×ｓｉｎθの円形となる。第１及び第２の実施形態では、像歪み補正部１５は回折光２０１を直径Ｌの光束に補正していたが、本実施形態では直径Ｌ×ｓｉｎθの光束に補正する。
【０１３７】
第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、音響レンズ系６の焦点距離をｆ、結像レンズ系１６の焦点距離をＦ、超音波である平面音波９の波長をλａ、単色光である平面波光束１４の波長をλｏ、そして、回折角をθとする。このとき、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状は円形になるため、実像１８は対象物４と相似となる。また、フーリエ光学によれば、その相似比は（λａ×ｆ）／（λｏ×Ｆ）×ｓｉｎθとなる。ところが、（式１）の関係があるので、回折光２０１が＋１次回折光である場合、相似比は１／２×（ｆ／Ｆ）となる。
【０１３８】
このように、縮小光学系９０１によって、相似比が超音波と単色光の波長に依存しなくなるため、例えば、ｆ／Ｆ＝２となるよう音響レンズ系６および結像レンズ系１６の焦点距離比を選べば、対象物４と同じ大きさの実像１８が得られ、高分解能で対象物４の画像を取得することが可能となる。さらに、ｆを短くすればＦも短くなるため、光音響振動計の小型化もはかることが可能となる。更に、歪み補正後の回折光９０２の光束が細くなることから、結像レンズ系１６の開口径が小さくなり、装置全体が小型化されると共に、結像レンズ系１６に高い面精度が必要ではなくなる。
【０１３９】
第１および第２の実施形態では、対象物４に対する実像１８の相似比は（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）であった。図１５に示した具体例で述べたように、実際には単色光波長λｏに比べ超音波波長λａがかなり長いため、大きな実像１８を得るためには焦点距離の非常に長い結像レンズ系１６が必要となる。このため、光音響振動計１００が大型化するか、あるいは、特殊な光学系構成の結像レンズ系１６を用いる必要がある。これに対し、本実施形態によれば、像歪み補正部１５として縮小光学系９０１を用いることによって、小開口径で短い焦点距離の結像レンズ系１６を用いなが、実像１８を高解像度で撮影することが可能となり、かつ、光音響振動計の小型化が可能となる。
【０１４０】
なお、本実施形態では、縮小光学系９０１がアナモルフィックプリズムで構成されているが、同様な作用を有する他の縮小光学系を用いてもよい。
【０１４１】
また、本実施形態では、平面音波９の音束断面形状が直径Ｌの円形である場合、光束断面形状が直径Ｌ×ｓｉｎθの円形状の歪み補正後の回折光９０２を得ている。しかし、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるように矯正しても、結像レンズ系１６の焦点を短くし、撮影の解像度を高められる。例えば、２つの像歪み補正部１５を設け、図１８に示す座標において、ｘ軸方向に対しては縮小光学系を、ｙ軸方向に対しては拡大光学系を用いてもよい。具体的には、ｘ軸方向のビーム縮小率、ｙ方向のビーム拡大率を選び、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるようにすればよい。
【０１４２】
また、本実施形態の像歪み補正部１５と第４の実施形態の像歪み補正部１５とを備えた光音響振動計を実現してもよい。歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状が図１７で設定した座標系において、ｘ軸方向にはＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）、ｙ軸方向にはＬ×ｓｉｎθの楕円形状となるよう縮小光学系９０１のビーム縮小率を設定する。これにより、撮影された画像の分解能を結像レンズ系１６の焦点面上によらずほぼ等しくすることができる。
【０１４３】
（第６の実施形態）
図１９を参照しながら、本発明による光音響振動計の第６の実施形態を説明する。図１９に示す第６の実施形態の光音響振動計１０６は、角度調整部１３０２および角度調整部１３０３をさらに備えている点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１４４】
図１９に示すように、光源１１、ビームエクスパンダー１２、ビームスプリッター１９、および、平面鏡２１より構成される光学系を、光束生成光学系１３０４とする。また、ビームスプリッター２０、平面鏡２２、像歪み補正部１５、結像レンズ１６、および、受像部１７より構成される光学系を、回折光結像光学系１３０５とする。光軸１３０１は、第２の回折光２０１ｂの光束の中央を通り、進行方向に平行な直線である。
【０１４５】
光音響振動計１０６は、音軸７に対して光束生成光学系１３０４の光軸１３のなす角度を調整する角度調整部１３０２と、音軸７に対して回折光結像光学系１３０５の光軸１３０１のなす角度を調整する角度調整部１３０３とを備える。角度調整部１３０２および角度調整部１３０３は連動しており、音軸７と光軸１３の成す角度と、音軸７と光軸１３０１の成す角度が等しくなるよう角度調整される。
【０１４６】
第１の実施形態で説明したように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成する正弦波の周波数と、光源１１の光束の波長から、音軸７に対する回折光２０１の回折角９０°−θが決定される。光音響振動計１０２は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの周波数が変わっても、角度調整部１３０２および角度調整部１３０３によって回折角に一致するように光軸１３、１３０３の音軸７に対する角度を調整できる。これにより、これにより、まず低周波音響波で大まかに対象物４を撮影し、次に高周波音響波を用いて細部まで高精細に対象物４を撮影することができる。これにより、撮像時間の短縮を図ることができる。
【０１４７】
（第７の実施形態）
図２０を参照しながら、本発明による光音響振動計の第７の実施形態を説明する。図２０に示す第７の実施形態の光音響振動計１０７は、平行移動部１７０３および平行移動部１７０４をさらに備えている点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１４８】
本発明の光音響振動計を用いて、対象物４の正確な変位量の計測するためには、対象物４の形状や変位を正しく反映した像１８を生成し、取得することが好ましい。第１〜第６の実施形態では、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、同時かつ正確に、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂが照射している領域に位置するよう、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの生成時刻を制御していた。
【０１４９】
しかし、対象物４の変位や移動が周期的であり、その周期の整数倍が第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの送信時間間隔に一致する場合、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが対象物４に到達するときの対象物４の変位または移動位置は等しくなり、生成した像１８には変位状態を示す干渉縞は現れない。つまり、対象物４の変位量分布や速度分布を観測することはできない。
【０１５０】
本実施形態の光音響振動計１０７は、このような場合でも、対象物４の変位量分布や速度分布を観測することができる。このために、光音響振動計１０７は、平行移動部１７０３および平行移動部１７０４を備える。平行移動部１７０３は、ビームスプリッター１９を平面波光束１４の光軸１７０１に平行に移動させることにより、第１の平面波光束１４ａの照射位置を調整する。また、平行移動部１７０４は、平面鏡２２からビームスプリッター２０へ向かう第１の回折光２０１ａの光軸１７０２に平行に平面鏡２２を移動させることにより、第１の回折光２０１ａの生成位置がシフトしても、第１の回折光２０１ａを正しくビームスプリッター２０へ入射させることができる。
【０１５１】
これにより、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの送信間隔τが対象物４の変位や移動の周期の整数倍と一致しないように、送信間隔τを決定し、決定したτに応じて、第１の平面波光束１４ａの光音響媒質部８への入射位置を変える。これにより、対象物４の変位量分布や速度分布を正しく観測することができる。
【０１５２】
（第８の実施形態）
図２１を参照しながら、本発明による光音響振動計の第８の実施形態を説明する。図２１に示す第８の実施形態の光音響振動計１０８は、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに代えて１つの平面波光束１４を光音響媒質部８に入射させる点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１５３】
第１の実施形態では、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを光音響媒質部８に入射させていたが、上述したように、τ×νに一致する間隔で位置する２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射する光源１１であればよい。
【０１５４】
このために、光音響振動計１０８は、大きなビーム拡大率を持ったビームエクスパンダー１２を用いて太いビーム径を有する平面波光束１４を生成する。生成した平面波光束１４を例えば、平面鏡２１で反射させ、２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射する。平面鏡２１を用いず、直接平面波光束１４を光音響媒質部８に入射させてもよい。
【０１５５】
光音響媒質部８中において、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂ平面音波９の存在する領域でのみ回折光が生じるので、このような光束を用いても、第１の実施形態と同様、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂを生成することができる。よって、第１の実施形態と同様、対象物４の変位量分布や速度分布を正しく観測することができる。
【０１５６】
本実施形態によれば、ビームスプリッター１９が不要であるため、ビームスプリッター１９の位置を調整しなくてもよい。また、２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射することができれば、２点Ｐ１、Ｐ２の位置が正確にわかっていなくても、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂを生成することができる。こんため、本実施形態によれば、光音響振動計１０１の構成を簡単にすることができ、また、光学系の調整を簡単にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明の光音響振動計は、音響波による像を光学画像として取得することができるため、超音波診断装置用のプローブ等として有用である。また、振動物体から放射される音響波を光学画像として観察できるので非破壊振動測定装置等の用途にも応用できる。さらに、微小な周期運動を非接触で測定する非接触振動計や、振動の面内分布を測定する振動モード解析装置としても利用できる。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 超音波波源
２ａ 第１の音響波
２ｂ 第２の音響波
３ 媒質
４ 対象物
５ａ 第１の散乱波
５ｂ 第２の散乱波
６ 音響レンズ系
７ 音軸
１３、２３、７０６、１３０１、１７０１、１７０２ 光軸
８ 光音響媒質部
９ａ 第１の平面音波
９ｂ 第２の平面音波
１０ 音波吸収部
１１ 光光源
１２ ビームエクスパンダー
１４ａ 第１の平面波光束
１４ｂ 第２の平面波光束
２０４ 平面波光束
１５ 像歪み補正部
１６ 結像レンズ系
１７ 受像部
１８、１４１、１４２、４０５、４０８、８０１ 像
１９、２０ ビームスプリッター
２１、２２ 平面鏡
１０１、４００ 光音響振動計
１４３、１４４ 光束
１４５ 光路長差
１４６ 重畳後の実像
１４７、１４８ 像点
１５１、１６１、１６２ シリンドリカルレンズ
１９１ 太鼓の皮
１９２ スピーカ
１９３ 単色音波
１９４ 撮影方向
２０１ａ 第１の回折光
２０１ｂ 第２の回折光
２０２ 回折格子
２０３ 単色光
３０１ アナモルフィックプリズム
３０２、９０２ 歪み補償後の回折光
３０３ くさび状プリズム
４０１、４０７ 物体
４０２ フーリエ変換面
４０３、４０４ レンズ
４０６ 音響光変換部
７０１ 副鏡
７０２ 主鏡
７０３ 反射防止膜
７０４ 焦点
７０５ 音響導波路
９０１ 縮小光学系
１３０２、１３０３ 角度調整部
１３０４ 光束生成光学系
１３０５ 回折光結像光学系
１７０３、１７０４ 平行移動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を変位や振動を光および音響波によって検出する光音響撮振動計に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響波を対象物に照射し、生じた散乱波を光音響媒質部に導入すると、音響波は縦波であるため、光音響媒質部中の媒質に粗密が生じ、屈折率分布を形成する。このため、光音響媒質部中に光を伝搬させると、この屈折率分布の影響を受けた回折光を生成する。つまり、生成した回折光を観測すると、対象物を検出することができる。
【０００３】
非特許文献１は、光音響媒質部中に生じた屈折率分布に単色光を照射することによって、Ｂｒａｇｇ回折光を生成し、対象物を撮像する技術を開示している。具体的には、図２２に示すように、非特許文献１は、レーザー１１０１および超音波振動子１１１１を用いて対象物１１０９の像をスクリーン１１０５に投影する技術を開示している。レーザー１１０１から出射した単色光光束は、ビームエクスパンダー１１０２およびアパーチャ１１０３により、太いビーム径を持つ単色光光束に変換される。単色光光束は、図２２に示すようにｘｙｚ軸を設定した場合においてｘ軸に伸びるシリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、および、ｙ軸に伸びる１１０４（ｃ）を透過し、スクリーン１１０５に到達する。このように、３つのシリンドリカルレンズから成る光学系は、光軸１１１３に対して回転対称でない。
【０００４】
シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）と１１０４（ｂ）との間に、水１１０７で満たされた音響セル１１０８が配置されており、水１１０７中に対象物１１０９が配置されている。以下において説明するように、単色光光束が水１１０７を透過する際に回折光が生じる。生成した回折光は強い非点収差を持っている。このため、生成した回折光の非点収差を補正し、また、スクリーン１１０５の位置で、ｘｚ平面上およびｙｚ平面上において結像させるため、シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）、１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）の焦点距離は互いに異なっている。
【０００５】
シリンドリカルレンズ１１０４（ａ）は、単色光光束が焦点面１１０６の位置でｘｚ平面において焦点を結ぶよう焦点距離が選定されている。シリンドリカルレンズによる結像であるため、焦点はｘ軸に平行な直線である。焦点面１１０６を通過した光束は焦点面１１０６よりスクリーン１１０５側で発散するが、その発散光束はシリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）で収束され、スクリーン１１０５上で再度焦点を結ぶ。ｙｚ平面内においては、ビームエクスパンダー１１０２通過後の単色光光束は、平行光束のままシリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）に入射する。そして、シリンドリカルレンズ１１０４（ｃ）の集光作用でスクリーン１１０５上に焦点を結ぶ。各シリンドリカルレンズの設置位置や焦点距離の選定は、ｘｚ平面およびｙｚ平面の両面において光束がスクリーン１１０５上で結像するように行うこと以外に、対象物１１０９に相似な画像が、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）としてスクリーン１１０５上に出現するよう行われる。上で述べたように光学系が光軸１１１３に対して回転対称ではないので、１次回折像１１１２（ａ）と−１次回折光１１１２（ｂ）は歪曲収差を持つ。そこで、シリンドリカルレンズ１１０４（ｂ）、１１０４（ｃ）を用いて、回折光の持つ歪曲収差と逆の特性の歪曲収差を有する光学系を構成することによって、回折光の歪曲収差を補正し、対象物１１０９に相似な画像をスクリーン１１０５上に生成する。
【０００６】
音響セル１１０８には、信号源１１１０で駆動される超音波振動子１１１１が設けられており、超音波振動子１１１１から水１１０７を介して対象物１１０９に単色超音波が照射される。単色超音波とは、音圧が、単一周波数を持つ正弦波状の時間変動を示す超音波を意味する。
【０００７】
対象物１１０９から超音波散乱波が生成し、その散乱波は水１１０７中における単色光光束の通過領域を伝播する。水中を伝播する超音波の導波モードは粗密波（縦波）であるので、水１１０７中の音圧分布、すなわち、超音波散乱波に一致した屈折率分布が水１１０７中に生成される。議論を簡単にするため、まず、対象物１１０９からの超音波散乱波は、ｙ軸の正方向に向かう平面波であると仮定する。超音波散乱波は単色であるから、ある瞬間において水１１０７中に生成される屈折率分布は、超音波波長で繰り返される正弦波状の１次元格子となる。したがって、その１次元格子によりＢｒａｇｇ回折光（図中では±１次回折光束を表現）が生成される。そして、その回折光はスクリーン１１０５上で１つの光点として現われる。光点の輝度は、１次元格子の屈折率変化量、すなわち、超音波音圧に比例する。
【０００８】
次に、仮定した「超音波散乱波は平面波である」という条件の緩和し、波面が平面ではない超音波散乱波を考える。波面が平面ではない超音波散乱波は、様々な方向から到来する平面波（今の場合、全ての平面波は同一周波数を持つ）の重ね合わせとして表現することができる。このため、波面が平面ではない超音波散乱波が伝搬する水１１０７を単色光光束が透過する場合、様々な方向から到来する各平面波による回折光の光点がスクリーン１１０５上に出現する。各光点の強度は各平面波の振幅の大きさに比例し、また、各光点のスクリーン１１０５上での出現位置は、各平面波の進行方向によって決定される。そのため、スクリーン１１０５上において１次回折像１１１２（ａ）、および、−１次回折像１１１２（ｂ）として、対象物１１０９の実像が現われる。スクリーン１１０５上での光点の集合体が対象物１１０９の実像とみなせるという点は、回折現象であることを除き、対象物と±１次回折像の関係が、一般の光学カメラにおける対象物と実像の関係とおなじである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A. Korpel, "Visualization of the cross section of a sound beam by Bragg diffraction of light," Applied Physics Letters, vol.9, no.12, pp.425-427, 15 Dec. 1966.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、非特許文献１に開示された技術によれば、対象物の変位や振動を検出することはできない。本発明は、この従来の課題を解決し、対象物の変位や振動を検出する光音響振動計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光音響振動計は、第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源と、前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ所定の収束状態の第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系と、音響レンズ系の音軸を含むように配置され、前記第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部と、前記光音響媒質部中の前記音軸上において、前記第１の平面音波が前記所定の時間に前記光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源と、前記少なくとも１つの平面波光束が、前記第１及び第２の平面音波によって回折することにより、前記光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部と、前記重畳した回折光を集光する結像レンズ系と、前記集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部とを備える。
【００１２】
ある好ましい実施形態において、光音響振動計は、前記重畳した回折光および前記電気信号によって表される前記対象物の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備える。
【００１３】
ある好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの平面波光束のスペクトル幅は１０ｎｍ未満である。
【００１４】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は屈折型音響系である。
【００１５】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されている。
【００１６】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備える計。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は反射型音響系である。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は２以上の反射面を含む。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記音響レンズ系は、焦点調整機構を含む。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する第１及び第２の平面波光束を出射する。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する１つの平面波光束を出射する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記光重畳部は、無偏光ビームスプリッターを含む。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を拡大する光学部材を含む。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を縮小する光学部材を含む。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成される。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行う。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含む。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１及び第２の回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含む。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光源から出射する前記少なくとも１つの平面波光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能である。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記第１及び第２の音響波の送信時刻を制御するトリガ回路をさらに含む。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の光音響振動計によれば、所定の時間間隔で送信される第１及び第２の音響波を対象物に照射することによって、異なる時刻における散乱波を生成し、音響レンズ系でそれぞれの散乱波を平面音波に変えるとともに光音響媒質部に導入し、それぞれの平面音波に対して光音響媒質部中に生じた屈折率分布による回折光を生成する。生成した２つの回折光を重ね合わせることによって、干渉が得られるため、所定の時間における対象物の変位や移動を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明よる光音響振動計の第１の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態において、平面波光束が平面音波によってＢｒａｇｇ回折する様子を説明する模式図であり、（ｂ）は、１次元回折格子によるＢｒａｇｇ回折条件を説明するための模式図であり、（ｃ）は、第１の実施形態において、Ｂｒａｇｇ回折により超音波波面上の音圧分布が回折光光束波面上の光振幅分布に転写されることを説明するための模式図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施形態において、回折光２０１がｙ方向に歪んでいることを示す図であり、（ｂ）は、第１の実施形態において、像歪み補正部１５として用いられるアナモルフィックプリズムの構造を示す図である。
【図４】アナモルフィックプリズムを構成するくさび状プリズムにおける光束の光路を説明するための図である。
【図５】（ａ）は、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概念的な図であり、（ｂ）は、第１の実施形態の光音響振動計が二重回折光学系とみなせることを示す図である。
【図６】第１の実施形態の光音響振動計において、対象物の変位に依存した干渉縞が実像に重畳されることを示す説明図である。
【図７】共振している太鼓の皮を対象物として撮影する具体的を説明する図である。
【図８】撮影された太鼓の皮の像を示す図である。
【図９】位置および半径が変化する球を対象物として撮影する具体的を説明する図である。
【図１０】撮影された球の像を示す図である。
【図１１】（ａ）は、第１の実施形態における第１及び第２の平面波光束の入射方向を示す図であり、（ｂ）は、他の可能な入射方向を示す図である。
【図１２】シリンドリカルレンズの構造を示す図である。
【図１３】第１の実施形態において、シリンドリカルレンズより構成され、像歪み補正部と結像レンズ系の作用を兼ね備えた光学系を示す図である。
【図１４】本発明よる光音響振動計の第２の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図１５】第２の実施形態の具体的を説明する模式図である。
【図１６】第３の実施形態における音響レンズ系の構成を示す図である。
【図１７】第４の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である。
【図１８】第５の実施形態における像歪み補正部１５の構成を示す図である
【図１９】本発明よる光音響振動計の第６の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２０】本発明よる光音響振動計の第７の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２１】本発明よる光音響振動計の第８の実施形態を示す概略的な構成図である。
【図２２】非特許文献１に記載された装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
以下、本発明による光音響振動計の第１の実施形態を説明する。図１は、光音響振動計１０１の構成を概略的に示している。光音響振動計１０１は、音響波源１と、音響レンズ系６と、光音響媒質部８と、光源１１と、光重畳部２２０と、歪み補正部１５と、結像合レンズ系１６と、受像部１７とを備える。
【００３５】
対象物４は、音響波が伝搬することができる媒質３中に配置される。音響波が伝播可能な媒質３とは、例えば、空気、水などである。このほか、媒質３は、体組織や、金属、コンクリートなどの弾性体であってもよい。また、対象物４は、人や動物などの体内器官であってもよい。この場合、媒質３は人や動物の体内組織である。
【００３６】
音響波源１および音響レンズ系６は、媒質３中、あるいは、媒質３に接触して配置される。音響波源１から出射した第１及び第２の音響波２ａ、ｂが対象物４を照射することにより、対象物４の表面や内部の音響インピーダンス（音速に密度を掛けた量）の非一様な領域で、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが反射し、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが生成する。第１および第２の散乱波５ａ、５ｂは、音響レンズ系６によって、所定の収束状態、特に第１および第２の平面音波９ａ、９ｂに変換され、光音響媒質部８に入射する。光音響媒質部８中を第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが伝搬することによって、光音響媒質部８には屈折率分布が生じる。
【００３７】
光源１１は平面波光束１４を出射する。平面波光束１４は、ビームスプリッター１９によって第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに分割され、光音響媒質部８に入射される。
【００３８】
光音響媒質部８の第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂによる屈折率分布により、第１の及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂが回折し、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生じる。この回折光を、光重畳部２２０によって重ね合わせ、結像レンズ系１６によって、受像部１７に集光することにより、対象物４の像１８を撮影することができる。像１８は、音軸７に垂直で、音響レンズ系６の焦点距離ｆだけ音響レンズ系６から離れた平面上における、対象物４の弾性係数の２次元分布に相似な画像である。また、以下において詳細に説明するように、第２の音響波２ｂは第１の音響波２ａから所定の時間τ後に送信されるため、得られる像１８は、異なる時刻に撮影された２つの対象物４の像を重ね合わせ干渉させたものである。これは、対象物４の時間τにおける音響レンズ系６の音軸７方向への移動または変位情報を示している。
【００３９】
１．光音響振動計１００の構成
（１）音響波源１
音響波源１は、対象物４に向けて第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを照射する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、好ましくは超音波である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのそれぞれは、振幅および周波数が一定である正弦波を複数波分含むパルス波であることが好ましい。波数が多くなるほど光音響媒質部８において生じる回折光の強度が強くなる。図１には示していないが、トリガ回路によって音響波源１が第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを発生する時刻は正確に制御されている。好ましくは、数ｎｓ程度の精度で制御されている。
【００４０】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、平面波であってもよいし、平面波でなくてもよい。好ましくは、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、対象物４の全体、あるいは、対象物４の撮影したい領域を、概ね均一な強度で照射する。つまり、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、撮影したい領域に応じた大きさの照射断面を有していることが好ましい。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、対象物４の表面および内部で反射散乱し、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂと同一周波数を持つ第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが生成する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、それぞれ正弦波を複数波分含むパルス波であるため、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射される時間間隔τは、例えば、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのそれぞれの正弦波の立ち上がり時刻の差で定義される。時間間隔τは、対象物４の変位や移動をどの程度の時間間隔で観察したいかに依存する。例えば、対象物４が人や動物などの体内器官である場合には、時間間隔τは１０μ秒から１ｍｍ秒の範囲の値であってもよい。
【００４１】
（２）音響レンズ系６
音響レンズ系６は、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂをそれぞれ所定の状態に収束させる。具体的には、音響レンズ系６は媒質３中において焦点距離ｆを有している。音響レンズ系６は、屈折型音響系であってもよいし、反射型音響系であってもよい。本実施形態では、屈折型音響系の音響レンズ系６を用いる。音響レンズ系６が屈折型音響系である場合、少なくとも１つの屈折面を有し、内部を第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂが透過する音響レンズを含む。音響レンズは、好ましくは、シリカナノ多孔体またはフロリナートなど、音響波の伝播損失が少ない弾性体によって構成される。屈折面における音響波の屈折は、スネルの法則に従い、媒質３および音響レンズを構成する材料における第１および第２の散乱波５ａ、５ｂの音速比で定まる角度で、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは屈折する。音響レンズ系６が反射型音響系である場合、音響レンズ系６は、金属やガラスなど、媒質３と音響インピーダンスが大きく異なる材料によって構成される少なくとも１つの反射面を有する。これらの屈折面および反射面は、いずれも光学レンズと同様の形状を有していることによって、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂを収束させることができる。
【００４２】
また、光学分野においてレンズ屈折面で生じる反射減衰や迷光を低減するために積層される反射防止膜と同様の機能を有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。例えば、媒質３と音響レンズの音響インピーダンスの相乗平均値に等しい音響インピーダンス、および、その音響インピーダンス値における１／４波長（ここでの波長は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成する正弦波の周波数における波長をさす）の厚さを有する反射防止膜を屈折面に設けてもよい。
【００４３】
対象物４は音響レンズ系６の焦点近傍に位置することが好ましい。光学カメラ等の光学撮像装置と同様、音響レンズ系６の音軸７上において、焦点の位置からずれるに従い、対象物４の像１８はぼける。
【００４４】
このため、焦点の位置以外の位置にある対象物４の鮮明な像１８を得る場合は、対象物４が音響レンズ系６の焦点の位置にくるように、光音響振動計１００全体を移動させることが好ましい。光音響振動計１００全体を移動させることが困難である場合、あるいは、音響レンズ系６の音軸７方向に光音響振動計１００を移動させることが困難である場合、光学式カメラの撮像レンズと同様に、音響レンズ系６は焦点調整機構をさらに備えていてもよい。また、さらに、対象物４に対する像１８の大きさを可変にする場合、音響レンズ系６または結像レンズ系１６のいずれか一方、あるいは、その両方に焦点距離調整機能（すなわち、ズーム機能）を設けてもよい。
【００４５】
対象物４が音響レンズ系６の焦点に位置する場合、音響レンズ系６によって第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂに変換される。
【００４６】
（３）光音響媒質部８
光音響媒質部８は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂに対して伝搬減衰が少なく、かつ、後述の第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに対して透光性を有する等方的弾性体によって構成される。このような弾性体としては、例えば、シリカ乾燥ゲルで形成されたナノ多孔体、フロリナート、水などを好適に用いることができる。像１８の画質（特に分解能）の向上のためには、できるだけ低音速な透光性弾性体を適用することが望ましく、シリカナノ多孔体、フロリナートを用いることがより好ましい。
【００４７】
光音響媒質部８は、音響レンズ系６によって変換された第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、低損失で光音響媒質部８に入射するように音響レンズ系６に対して配置されていることが好ましく、音響レンズ系６が光音響媒質部８と接合されていことが好ましい。また、接合面での反射による減衰を抑圧するために、接合面には反射防止膜を設けることが好ましい。音響レンズ系６と光音響媒質部とを同じ材料によって構成する場合には、光音響媒質部８の一部（好ましくは媒質３との境界面）に音響レンズ系６を設けてもよい。図１に示すように、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは、音響レンズ系６の音軸７に対して垂直な波面を有し、音軸７に対して平行に光音響媒質部８を伝搬する。
【００４８】
上で述べたように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは時間間隔τで送信されるため、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは２つの独立した音波として光音響媒質部８中を伝播する。光音響媒質部８の音速をνとすると、第１及の平面音波９ａおよび第２の平面音波９ｂの光音響媒質部８中における距離はτ×νとなる。
【００４９】
（４）音波吸収部１０
光音響媒質部８を伝搬した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが光音響媒質部８の端部で反射し、反射した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの検出に影響を与える場合には、光音響媒質部８の端部に音波吸収部１０を設けることが好ましい。音波吸収部１０は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを反射や散乱させることなく吸収し、あるいは、減衰させる。音波吸収部１０により、音波吸収部１０に到達する音波は全て吸収されるため、光音響媒質部８中に存在する音波は一方向へ伝搬する第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂのみとなる。これにより、反射した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂがノイズとして検出され、対象物４の画像の画質が低下するのを抑制することができる。
【００５０】
（５）光源１１
光源１１は、干渉性の高い光束を生成する。「干渉性が高い」とは、光源１１から出射する光束の波長、進行方向、および、位相がそろっていること、つまり、コヒーレントな光束であることを意味する。光源１１が出射する光束のスペクトル幅（半値幅）は１０ｎｍ未満であることが好ましい。光源１１としては、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザーに代表されるガスレーザーや固体レーザー、外部共振器で狭帯域化された半導体レーザーを用いることができる。光源１１は、連続的に光束を出射してもよいし、パルス状の光束であってもよい。光源１１から出射する光束の波長は、光音響媒質部８において伝搬損失の少ない波長帯内であることが好ましい。例えば、光音響媒質部８としてシリカナノ多孔体を用いる場合は、６００ｎｍ以上の波長を有するレーザーを光源１１として用いることが好ましい。これにより、明るい像１８を得ることができる。光源１１は光軸１３に平行な干渉性の高い光束を生成する。つまり、光束内の光は、波長および位相が揃っている。
【００５１】
光源１１から出射する光束は、音軸７に対して、非垂直かつ非平行な角度で光音響媒質部８を照射する。より具体的には、光束は、光音響媒質部８中の音軸７上において、第１の平面音波９ａが時間τの間に光音響媒質部８を伝搬する距離、つまりτ×νに一致する間隔で位置する２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを照射する。２点Ｐ１、Ｐ２は、光音響媒質部８中の音軸７上においてτ×ν隔てていることが重要であり、２点Ｐ１あるいはＰ２は音軸７上のどこであってもよい。この条件を満たす限り、光源１１から出射する光束はどのような状態で光音響媒質部８に入射していてもよい。本実施形態では、２点Ｐ１、Ｐ２を第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂで照射する。
【００５２】
このために、本実施形態の光音響振動計は、ビームエクスパンダー１２、ビームスプリッター１９および平面鏡２１を備える。光源１１から出射する光束は、まず、ビームエクスパンダー１２を通過することにより、よりビーム径の太い平面波光束１４に整形される。少なくとも平面波光束１４中に光音響媒質部８中を伝搬する第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの伝播領域が含まれるよう、ビーム径は設定される。このようなビーム径の調整は、ビームエクスパンダー１２のビーム拡大率を選択することによってなされる。ビームエクスパンダー１２で十分太いビームを生成し、開口絞り等で生成された光束周辺部を遮蔽することにより、光束断面において均一な光強度を有する平面波光束１４を生成することができる。平面波光束１４の光束断面における光強度の均一化を図ることにより、より良好な像１８を得ることができる。
【００５３】
平面波光束１４は、ビームスプリッター１９を透過することにより、概ね等しい光強度を持ち、かつ、同一断面径を有する第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに分割される。ビームスプリッター１９として無偏光ビームスプリッターを好適に用いることができる。無偏光ビームスプリッターは、入射光の偏波に無関係に所望の光強度比で光束を分割する。無偏光ビームスプリッターには、プリズム型、ぺリクル型（薄膜を反射面に用いたもの）、ウェッジ型、平行平板型、反射面に設けられた誘電体多層膜や金属薄膜などがあり、いずれを用いてもよい。
【００５４】
図１に示すように、第２の平面波光束１４ｂを平面鏡２１で反射させ、平面鏡２１およびビームスプリッター１９の角度を調整することによって、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを、互いに平行な状態で光音響媒質部８に入射させることが好ましい。また、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂの光軸２３、１３および音軸７は同一平面上にあることが好ましい。
【００５５】
音軸７と、光軸１３および光軸２３の交差する角度は等しく、各々９０°−θである。ここで、θは、平面波光束の進行方向、すなわち、光軸１３および光軸２３と、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの波面の成す角度を表す。θは、０°、９０°、１８０°、および、２７０°を除く任意の角度をとることができる。この角度範囲のθにおいてのみ第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂにＢｒａｇｇ回折が生じ、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生成する。第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが回折光２０１が生じるためのθの具体的な設定方法については後述する。
【００５６】
（６）光重畳部２２０
第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、光重畳部２２０によって重ね合わせられる。本実施形態では、光重畳部２２０は平面鏡２２およびビームスプリッター２０を含む。平面鏡２２は、第１の回折光２０１ａを第２の回折光２０１ａが透過するビームスプリッター２０へ向けて反射し、ビームスプリッター２０において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが重ね合わせられる。
【００５７】
（７）像歪み補正部１５
像歪み補正部１５は、光重畳部２２０によって重ね合わせられた回折光が持っている像の歪みを補正する。本実施形態では、重ね合わせられた回折光の断面を一方向に拡大または縮小することによって、重ね合わせられた回折光に表される像の歪みを補正する。像歪み補正部１５の具体的な構成は以下において詳細に説明する。
【００５８】
（８）結像レンズ系１６、受像部１７および画像処理部２０５
結像レンズ系１６は、歪みが補正された回折光を受像部１７の受光部に集光する。受像部１７はＣＣＤなどの光電変換素子によって構成され、これにより像１８が電気信号に変換される。
【００５９】
画像処理部２０５は、受像部１７から入力される電気信号に基づき、画像処理を行い、像１８を構成する。
【００６０】
２．光音響振動計１０１の動作
次に光音響振動計１０１の動作を説明する。
【００６１】
上述したように、光音響振動計１０１では、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射時刻は正確に制御されている。このため、第１の平面音波９ａが点Ｐ１に到達する時刻には、第２の平面音波９ｂは点Ｐ２に到達する。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射間隔を１ｎｓの時間精度で制御した場合、５０ｍ／ｓの音速で光音響媒質部８を伝搬する第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの位置誤差は５０ｎｍ以内になる。この位置誤差は、例えば、光源１１としてＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザーの波長６３３ｎｍに換算して０．０７９波長に相当する。したがって、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの発射時刻を調整することにより、光音響媒質部８中において非常に高い精度で第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの位置を制御することができる。
【００６２】
このように第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂの位置を制御することにより、点Ｐ１における第１の平面音波９ａによる第１の平面波光束１４ａの回折光と点Ｐ２における第２の平面音波９ｂによる第２の平面波光束１４ｂによる回折光とは同じ条件で生成する。このため、以下では、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを平面音波９と表し、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを平面波光波２０４として表し、回折光の生成を説明する。
【００６３】
図２（ａ）は、光音響媒質部８において、平面音波９が平面波光束２０４の光路を横切る瞬間に、平面波光束２０４が平面音波９によってＢｒａｇｇ回折される様子を模式的に示している。平面音波９は、光音響媒質部８中を伝播する粗密弾性波である。したがって、光音響媒質部８中には、平面音波９の音圧分布に比例した屈折率分布が生成される。上述したように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは単一周波数の正弦波よりなるため、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂおよび平面音波９も単一周波数の正弦波である。このため、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は、音軸７に平行な方向の周期が平面音波９の波長に等しく、屈折率の大きさが正弦波状に変化し、音軸７に垂直な方向には一様である周期構造となる。
【００６４】
このような屈折率分布は、平面波光束２０４に対して、１次元回折格子として機能する。そのため、平面波光束２０４が、以下で述べる回折条件を満足する角度θで平面音波９に入射すると回折光２０１が生じる。この１次元回折格子は格子面が平面であり、かつ、平面波光束２０４の波面が平面であるので、回折光２０１は平面波光束となる。
【００６５】
光音響振動計１０１においては、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは２周期より十分多い数の正弦波で構成されているため、屈折率分布における粗密の繰り返しも２以上である。したがって、光音響媒質部８に生成される屈折率分布は１次元回折格子とみなせ、平面波光束２０４はＢｒａｇｇ回折により回折する。Ｂｒａｇｇ回折では、図２（ａ）に示すように、平面波光束２０４と回折光２０１が平面音波９に対して成す角度は等しく、それぞれ角度θである。角度θは、以下で述べるＢｒａｇｇ回折条件を満足する離散的な値である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが２周期程度の少数の正弦波で構成される場合は、回折光２０１は主にＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折により生成される。純粋なＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折は、平面波光束２０４と回折光２０１とが平面音波９の波面に対してなす角度が等しくなくても生じる。Ｂｒａｇｇ回折はＲａｍａｎ−Ｎａｔｈ回折より高強度の回折光２０１を生じるので、より音圧の小さい第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂを観察することができ、高解像度の像１８を得るために寄与する。このため、光音響振動計１０１では、波数の多い正弦波よりなる第及び第２の音響波２ａ、２ｂを用いて、主にＢｒａｇｇ回折により生成する回折光２０１を用いることが好ましい。より好ましくは、回折光２０１におけるＢｒａｇｇ回折光の強度の割合は１／２以上である。このためには、平面音波９は、式（４）で示される波面数Ｎmin以上の波面を有するパルス状音波であることが望ましい。なお、式（４）において、ｎaoは光音響媒質８の屈折率、λａは光音響媒質８中での音波波長、λｏは単色光光源からの出射光の光音響媒質８中での波長を表す。
【００６６】
【数４】
【００６７】
例えば、光音響媒質８として音速５０ｍ／ｓのナノフォームを適用し、５ ＭＨｚの超音波を用いた場合、ナノフォームの屈折率はほぼ１であるので、Ｎmin＝１３となる。したがって、この場合、１３波以上の波面数からなるパルス状超音波を用いれば、Ｂｒａｇｇ回折光が主要な回折光成分となる。
【００６８】
平面音波９によって生成された屈折率分布による１次元回折格子におけるＢｒａｇｇ回折条件を説明する。図２（ｂ）に示すように、平面音波９によって生成された回折格子２０２の格子間隔は、光音響媒質部８中を伝搬する平面音波９の波長λａに等しい。平面波光束２０４中の１本の単色光光線を単色光２０３とする。また、単色光２０３の波長をλｏとする。単色光２０３が回折格子２０２に入射した場合、各格子において微弱な散乱光が生成される。隣り合った格子面からの散乱光に着目すると、各格子面で同じ方向に散乱された２光線の光路長差（２×λａ×ｓｉｎθ）が、波長λｏの整数倍（ｍ×λ０，ｍ＝±１，±２，…）に等しいとき、２つの散乱光は強め合う。この強め合いが他の格子面でも生じるため、全体として高強度の散乱光、すなわち回折光を生じる。以上の理由により、回折光が観測される角度θは式（１）で表される。
【００６９】
【数１】
【００７０】
式（１）はＢｒａｇｇ回折の条件であり、格子面に対する入射光線と出射光線の角度θを規定する。ｓｉｎ-1は逆正弦関数を表す。純粋なＢｒａｇｇ回折は、回折格子２０２が無限数の格子面より構成される場合に生じる回折現象をいう。図２（ｂ）に示すように、格子面に対する入射光線と出射光線の角度は等しくθとなる。Ｂｒａｇｇ回折では、一般には次数ｍが小さいものほど高強度の回折光２０１が得られる。したがって、より弱い第１及び第３の散乱波５ａ、５ｂを観測するためにはｍ＝±１の回折光２０１を用いることが好ましい。図１に示す光音響振動計１０１において、回折光２０１はｍ＝＋１の回折光を示しているが、ｍ＝−１の回折光を用いた光音響振動計１０１を実現してもよい。
【００７１】
図２（ｃ）は、Ｂｒａｇｇ回折により、平面音波９の波面上での音圧分布が、回折光２０１の断面における光強度分布に反映されることを説明するための模式図である。図２（ｃ）に示すように、一般に平面音波９は、波面面内で、対象物４の形状等（正確には対象物４の表面の弾性特性）を反映した非一様な音圧分布を有している。光音響媒質部８中の屈折率変化の空間分布は平面音波９の音圧分布に比例するので、回折格子２０２の格子面上の屈折率変化量の面内分布は非一様である。第１及び第２の音響波２ａ、２ｂのパルス継続時間内での対象物４の変位は微小で、静止しているとみなせると仮定する。この場合、回折格子２０２の格子面上の屈折率分布は、全ての格子面で同一であるので回折格子２０２は１次元回折格子となり、回折光２０１は主にＢｒａｇｇ回折により生じる。回折光２０１の振幅（＝光強度の１／２乗）は屈折率変化量に比例するので、回折光２０１の振幅は平面音波９の音圧分布に比例する。したがって、回折光２０１の波面上の光振幅分布は平面音波９の音圧分布に比例する。つまり、回折光２０１は、対象物４を直接観察した場合に得られる光と同様、対象物４の形状等を反映した強度分布を有している。
【００７２】
図１にもどり、再び光音響振動計１００の説明を続ける。上述したように、位置Ｐ１、Ｐ２において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂが生成する。第１の音響波ａと第２の音響波２ｂの生成時刻はτずれているため、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、時間τを隔てた２つの時刻における対象物４の形状を反映した強度分布を有する。対象物４が全く移動あるいは変位していない場合には、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは互いにまったく等しい強度分布を有する。
【００７３】
図１に示すように、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂは、平面鏡２２およびビームスプリッター２０含む光重畳部２２０によって、重ね合わせられる。第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの中心位置、および、光束波面全面における波面ずれが、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂの波長で換算して１波長未満となるよう平面鏡２２とビームスプリッター２０の位置と角度を調整する。像１８上に対象物４の変位に無関係な干渉縞が重畳されるのを抑制するためには、上述した中心位置および波面ずれはできるだけ小さいことが好ましい。
【００７４】
重畳した回折光２０１’は像歪み補正部１５に入射する。像歪み補正部１５の動作について、図３（ａ）を参照し説明する。図３（ａ）は、光音響振動計１０１において回折光２０１’が１方向に収縮していることを示した模式図である。便宜上、平面音波９によって重畳した回折光２０１’が生じるとして示している。
【００７５】
式（１）からわかるように、回折条件を満足するためには、平面波光束１４は平面音波９に対して斜めに入射しなければならない。ここで、平面音波９のビーム形状を直径Ｌの円形とし、回折光２０１’の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とする。上述したように、平面波光束１４は平面音波９を包含するビーム径を持つこと、および、平面音波９の存在する領域においてのみ回折光２０１’は生成されることから、回折光２０１’のビーム形状は、図３（ａ）に記した座標系においてｙ軸方向に短径Ｌ×ｓｉｎθ、ｘ軸方向に長径Ｌを持った楕円形となる。すなわち、回折光２０１’の波面上における光振幅分布は、平面音波９の波面上での音圧分布をｙ軸方向にｓｉｎθ倍した分布に比例する。
【００７６】
このため回折光２０１’をそのまま、結像レンズ系１６によって結像し、像１８を生成した場合、像１８はｙ軸方向へ歪んだ光学像となり、対象物４と実像１８との相似性が失われる。言い換えれば、回折光２０１’はｙ軸方向への歪曲収差を有している。そこで、像歪み補正部１５により回折光２０１’の歪みを補正する。
【００７７】
本実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズム３０１より構成される。図３（ｂ）は、アナモルフィックプリズム３０１の構成および作用を示した模式図である。図３（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、２個のくさび状プリズム３０３を含む。くさび状プリズム３０３の作用について図４を参照して説明する。図４は、くさび状プリズム３０３を透過する光線の様子を示した光線追跡図である。くさび状プリズム３０３は、屈折率ｎの回折光２０１に対して透明な材料によって構成され、２つの平面３０３ａ、３０３ｂを有する。平面３０３ａと平面３０３ｂとのなす角度をαとし、平面３０３ａに光束が入射する角度をおよび出射する角度を法線に対してθ1およびθ2とする。また、平面３０３ｂから光束が出射する角度を、法線に対してθ3とする。２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における、平面３０３ａへ入射する光束の幅をＬｉｎ、平面３０３ｂから出射する光束の幅をＬｏｕｔとする。この時、式（２）の関係が成立する。
【００７８】
【数２】
【００７９】
また、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面における入射する光束とくさび状プリズム３０３から出射する光束のビーム径は異なる。Ｌｏｕｔ／Ｌｉｎで計算される光束拡大率は式（３）で示される。
【００８０】
【数３】
【００８１】
式（２）、（３）から分かるように、くさび状プリズム３０３のα、ｎおよび角θ1を適切に選択することにより、所望の光束拡大率を実現することができる。光束拡大率は、２つの平面３０３ａ、３０３ｂの法線を含む平面に垂直な方向では、α、ｎおよび角θ1にかかわらず、変化しないため、くさび状プリズム３０３を用いれば、図３（ａ）に示す回折光２０１のｙ軸方向の幅を調整できる。
【００８２】
図３（ｂ）に示すように、アナモルフィックプリズム３０１は、図４に示したくさび状プリズム３０３を１個以上組み合わせることにより構成される。図３（ｂ）に示すように、２つの同一形状のくさび状プリズム３０３を用いると、アナモルフィックプリズム３０１への入射光と出射光を平行にすることができ、光学系調整が容易である。
【００８３】
このように、アナモルフィックプリズム３０１は光束ビーム径の拡大光学系として動作する。光音響振動計１００において、くさび状プリズム３０３のα、ｎと入射角θ1を選び、図３（ｂ）に示すように回折光２０１光束をｙ軸方向に１／ｓｉｎθ倍拡大する。これにより、直径Ｌの円形状の光束断面を有する歪み補正後の回折光３０２が得られる。したがって、歪み補正後の回折光３０２はその波面上において、平面音波９の波面上における音圧分布に比例した光振幅分布を有する。すなわち、歪み補正後の回折光３０２は、平面音波９とは波長が異なるものの、平面音波９の波面上の音圧分布を全て光振幅分布として再現しているため、対象物４と相似な像１８が生成され得る。
【００８４】
図１に示すように、歪み補正後の回折光３０２は焦点距離Ｆを持つ結像レンズ系１６により集光される。歪み補正後の回折光３０２は平行光束であるので、結像レンズ系１６の光軸上の結像レンズ系１６から焦点距離Ｆを隔てた、光軸に垂直な平面（焦点面）上に回折光３０２が集光され実像１８を形成する。この位置に、受像部１７を配置することによって、実像１８を電気信号に変換することができる。
【００８５】
画像処理部２０５は、受像部１７から入力される電気信号に基づき、画像処理を行い、実像１８を構成する。このようにして、光音響振動計は、対象物４を撮影することができる。
【００８６】
次に、本実施形態の光音響振動計における、対象物４および像１８の大きさの関係を説明する。本実施形態の光音響振動計は、焦点距離ｆ、および、Ｆを持つ２つの光学レンズより構成される二重回折光学系の変形光学系とみなすことができる。図５（ａ）に、光学分野における二重回折光学系の動作を説明するための概略図を示す。
【００８７】
図５（ａ）に示す二重回折光学系において、レンズ４０３とレンズ４０４は、それぞれ焦点距離ｆおよびＦを有する。両レンズは焦点距離ｆ＋Ｆだけ離れた光軸４０９上に配置されている。また、両レンズ光軸は光軸４０９と一致している。一般に、焦点距離ｆｌを持つ凸レンズは、レンズを中心としてレンズからｆｌ離れた光軸上の２点に焦点を有する。フーリエ光学によれば、凸レンズの一方の焦点に置かれた物体と、もう一方の焦点における光学像は互いにフーリエ変換の関係にある。したがって、レンズ４０３による対象物４０１のフーリエ変換像が、もう１つの焦点面（すなわち、焦点を含み、光軸に垂直な平面）であるフーリエ変換面４０２に形成される。フーリエ変換面４０２はレンズ４０４の焦点面でもあることから、フーリエ変換面４０２上に形成された対象物４０１のフーリエ変換像のフーリエ変換像が、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される。すなわち、レンズ４０４のもう一方の焦点面に形成される光学像は、対象物４０１に２回フーリエ変換を行ったものに相当する。２回フーリエ変換は相似写像（大きさを定数倍し、図形の向きだけを変換する写像）であるので、対象物４０１の２回フーリエ変換像である実像４０５は、対象物４０１と相似な図形となる。なお、実像４０５は対象物４０１の反転像としてレンズ４０４の焦点面に表れ、またレンズ４０３とレンズ４０４の焦点距離が異なることより、実像４０５の大きさは対象物４０１のＦ／ｆ倍となる。このように、図５（ａ）の二重回折光学系においては、対象物４０１と相似な光学画像が実像４０５として出現し、ＣＣＤなどの撮像素子をレンズ４０４の実像が形成される方の焦点面に設置すれば、対象物４０１の撮像ができる。
【００８８】
本実施形態の光音響振動計は、２つの光学系の一方が音響系に置き換わっている二重回折光学系とみなせる。図２および図３を参照して説明したように、本実施形態の光音響振動計における第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ａの生成、および、像歪み補正部１５は、波長λａの平面波である平面音波９の波面上での振幅分布（音圧）を、波長λｏの平面波である歪み補正後の第１及び第２の回折光２０２ａ、２０２ｂの振幅分布（光）に変換（転写）する音響光変換部４０６とみなすことができる。したがって、本実施形態の光音響振動計は、光学系および音響系が混在する光音響混在型光学系であり、図４（ａ）に示すレンズ４０３およびレンズ４０４を、図４（ｂ）に示すように、音響レンズ系６および結像レンズ系１６に置き換え、これら２つのレンズ系の間に、波長をλａからλｏに変換する音響光変換部４０６で音響波から光波に変換することによって、本実施形態の光音響振動計は、は図４（ａ）に示す二重回折光学系と同様の動作を行う。したがって、フーリエ光学より、図４（ｂ）の光音響混在型光学系においても、図４（ａ）と同様に、対象物４０７と相似な光学画像が倒立した実像として結像レンズ系１６の焦点面上で得られる。
【００８９】
ただし、音響光変換部４０６の前後で波長はλａからλｏに変わる。図４（ｂ）の光音響混在型光学系において、対象物４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍となる。λｏ／λａが極端に小さい場合、すなわち、平面波光束１４の波長に比べ、光音響媒質部８での音響波の波長が非常に長い場合は、Ｆ／ｆを大きくとって（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくし、実像１８が極端に小さくならないようにすることによって、受像部１７で得られる光学画像の分解能が落ちないようにすることが好ましい。
【００９０】
次に光音響振動計１０１において撮影される像１８を説明する。上述したように像１８は、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂで発生した第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂによる光学像が重畳されたものである。第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂは異なる時刻に発射された第１及び第２の音響波２ａ、２ｂによる第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂに相当するので、像１８は異なる時刻における対象物４の光学像が重なっている。対象物４が静止している場合、対象物４の異なる時刻における２つの光学像は一致し、像１８は対象物４に相似な光学像となる。しかし、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射される間に対象物４が移動または変位している場合、像１８は対象物４に相似な光学像に加え、変位量に応じた光学的干渉縞が重畳された光学像となる。
【００９１】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが照射された時刻において、対象物４は互いに異なる２つの状態であったと仮定する。対象物４の変位速度は十分に緩慢で、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成するパルス幅に相当する時間では対象物４は静止しているとみなすことができると仮定する。この仮定は、例えば、媒質３中での第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの音速に比べ、対象物４の変位速度が十分小さい場合に成立する。例えば、体内における器官の運動、より具体的には、体内における心臓壁や動脈血管壁の運動状態を観察する場合、この条件を満足している。
【００９２】
図６は、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂから生成した２つの異なる像が重畳される様子を示している。第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが対象物４にそれぞれ到達した時、対象物４は、像１４１および像１４２で示される外形であると仮定する。図６では、説明の便宜上、像１４１は平面であり、像１４２は図中に付記した座標軸のｚ軸方向に湾曲した曲面であるとする。像１４２は頂点において像１４１に接触している（頂点において、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの位相差はゼロ）。また、ｚ軸は結像レンズ系１６の光軸に平行であり、ｚ軸方向に測った像１４１に対する像１４２の変位量の最大値は、光源１１から出射する光束の波長λｏに換算して１０波長程度であると仮定する。この仮定の下で、焦点ずれによる受像部１７面上での像１４２の劣化は無視できる。従って、図１の像１８に相当する重畳後の像１４６は像１４１と同様に平面である。これらの仮定は、体内における心臓壁や動脈血管壁の運動状態を観察する場合には成立する。
【００９３】
図６に示す、光束１４３、１４４は、図１において示す重畳した回折光２０１’または回折光３０２に相当する球面波である。これらは、図におけるｘｙ平面において、異なる位置の像点を与える。
【００９４】
光束１４３は、重畳後の像１４６上の像点１４７の光量を決定する。図６では像１４１と像１４２が一致しているため、重畳された第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂは完全に重なっており位相差はゼロである。従って、重畳される２つの球面波は互いに干渉し、像点１４７は高い輝度を示す。
【００９５】
一方、光束１４４は第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂを含み、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０２ｂ２のｚ軸方向に測った光路長差１４５は光源１１の光束の波長λｏに換算して３／２波長である。このような１／２波長の奇数倍の光路長差１４５を持つ球面波は互いに逆相にあるために干渉により弱め合う。従って、光束１４４が光量を決定する重畳後の像１４６上の像点１４８の輝度は低下する。
【００９６】
このように、重畳後の像１４６には、対象物４に相似な光学像上に、対象物４の時間τにおける音軸７方向の変位または移動が、その変位量または移動量に応じた輝度によって重畳されている。図６では、ｙ軸方向においては光路長差１４５が一定でありｙ軸方向のみ変化するため、重畳後の像１４６は平面状の実像にｘ軸に平行な干渉縞が重畳された光学像となる。
【００９７】
重畳後の像１４６の濃淡より、時間τにおける対象物４の変位量の絶対値の分布や、変位量を時間τで割ることにより得られる対象物４の速度の絶対値の分布を求めることができる。図６においては、像点１４７と像点１４８の間を結ぶ直線と交差する干渉縞は１．５周期分である。したがって、像点１４７と像点１４８における像１４１と像１４２の光路長差は１．５λｏである。光音響振動計１０１において、像１８上における長さ１．５λｏは対象物４上で１．５×ｆ／Ｆ×λａに相当する。このことより、時間τにおける像点１４７と像点１４８に対応する対象物４上の２点の変位量の差の絶対値を読み取ることが可能であり、１．５×ｆ／Ｆ×λａで求められる。
【００９８】
なお、像１４２および像１４１が頂点において接しない場合、頂点において第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂの位相差はゼロではない。しかし、この場合、像１４２を構成する第２の回折光２０１ａの位相が全体として同じ位相差で、像１４１を構成する第１の回折光２０１ｂに対してシフトいるだけである。このため、像点１４７と像点１４８における像１４１と像１４２の光路長差は同様に１．５λｏとなる。
【００９９】
このように本実施形態の光音響振動計によれば、時間τだけ異なる２つの時刻における対象物の像が重畳された光学像が得られる。この時間τの間に対象物の形状（正確には、弾性係数の空間分布）が変化している場合、重畳される２つのＢｒａｇｇ回折光は、形状の変化量（音響波の伝播波長で換算した変化量）に応じた位相差を有している。従って、重畳された光学像は、Ｂｒａｇｇ回折光の干渉現象により、この位相差に応じた強度変化を伴った像として受像部で検出される。例えば、対象物のある位置における変位量が１／２波長の奇数倍に相当する場合、像上のその位置における光強度は減少し、変位量が１／２波長の偶数倍に相当する場合、像上のその位置における光強度は増大する。このように、受像部で取得される光学像は、対象物の像に対象物の形状の変化量に応じた干渉縞が重畳された画像となる。取得された１つの画像に記録された干渉縞の本数を数えることにより、対象物の形状変化量分布、ならびに、変化速度分布を知ることが可能となる。
【０１００】
したがって、本実施形態の光音響振動計は、１回の撮影で、音響波の伝播波長程度の空間分解能で対象物の形状情報を取得し、かつ、形状変化量分布および変化速度分布を取得することができる。このような画像は、２つの回折光を重畳し、撮像素子などどの受像部によって重畳した光を検出することによって得られ、時間τだけ異なる２つの時刻における対象物の像を個別に取得したり、信号処理する必要がない。したがって、本実施形態の光音響振動計は、簡単な構成によって、高速で運動する対象物の変位や移動を、高い空間分解能で計測することが可能である。
【０１０１】
光音響振動計１０１により撮影される像１８の具体例を説明する。図７に示すように、対象物４として共振している正方形の太鼓の皮１９１に、スピーカ１９２送信される単色音波１９３を照射し、反射する散乱波を、矢印１９４で示すように太鼓の皮１９１に対して垂直な方向から検出する。単色音波１９３の周波数は太鼓の皮１９１の共振周波数に一致している。したがって、太鼓の皮１９１は共振し、単色音波１９３の周波数と同一周波数で単振動を繰り返す。その結果、太鼓の皮１９１は図１９に示したような振幅分布を示す。
【０１０２】
太鼓の皮１９１の最大振幅は２．５×ｆ／Ｆ×λａであるとする。太鼓の皮１９１の変位量が全領域でゼロとなる時、および、最大振幅を示す時の２つ時刻において単色音波１９３を照射する。この時、光音響振動計１０１により撮影される太鼓の皮１９１の像１８を図８に示す。像１８は、正方形の太鼓の皮１９１に対して縞模様が重畳された実像１８となる。
【０１０３】
なお、光音響振動計１０１は、音響レンズ系６の音軸７と平行な方向における時間τにおける対象物４の変位や移動に対して高い検出感度を示すが、音軸７に垂直な平面における対象物４の変位や移動を検出感度は低下する。
【０１０４】
図９に示すように用いられる対象物４が球であり、球の半径および、球の中心位置が時間的に変化して場合を考える。具体的には、点線で示すように、座標の原点に中心が位置し、半径１１．１１×（ｆ／Ｆλａ）の対象物４が、時間τ後、（−０．５６，−０．５６，−０．５６）×（ｆ／Ｆλａ）の位置に中心が位置し、半径１２．０７×（ｆ／Ｆλａ）の対象物４’になった場合を考える。
【０１０５】
第１及び第２の音響波１９３ａ、１９３ｂの波長をλａ、とし、音響レンズ系６および結像レンズ系１６の焦点距離をｆおよびＦとする。第１及び第２の音響波１９３ａ、１９３ｂは、球の表面でのみ反射し、球内部での反射を考慮しない。また、反射波をx軸の正方向から検出する。
【０１０６】
図１０は、光音響振動計１０１により撮影される像１８を示している。図１０に示すように、像１８は、対象物４および４’の像と縞模様とを含んでいる。縞模様は、球の右上を中心とし、周囲に向かうに従って間隔が狭くなっている。これは、図９に示すように（１，１，１）方向において、対象物４および対象物４’の表面が最も接近しているためである。また、縞模様は図２０中、点線示した対象物４’内のみに現われている。これは、２つの対象物４、４’の像がx軸方向において重なり合う領域においてのみ干渉が起こるためである。つまり、縞模様は、対象物４と対象物４’とx軸方向への変位量を示しており、ｙ方向およびz方向への変位は縞模様として現れない。なお、本計算においては、音響レンズ系６と結像レンズ系１６の分解能などの結像特性は考慮していない。従って、実際に得られる像１８は、両レンズ系の分解能による影響があるために、図１０に示した画像よりも球の輪郭がぼやける。
【０１０７】
このように本実施形態の光音響振動計によれば、所定の時間間隔で送信される第１及び第２の音響波を対象物に照射することによって、異なる時刻における散乱波を生成し、散乱波による平面音波によって光音響媒質部中に生じた屈折率分布による回折光をそれぞれ生成する。生成した２つの回折光を重ね合わせることによって、干渉が得られるため、所定の時間における対象物の変位や移動を検出することができる。
【０１０８】
本実施形態では、光音響振動計１０１の音響レンズ系６の焦点距離は固定されているが、上述したように音響レンズ系６は通常の写真レンズのような合焦機構（焦点調節機構）を有していても良い。音響レンズ系６の焦点が固定されている場合、シャープな像１８が得られるのは、音響レンズ系６の焦点面近傍領域（正確には音響レンズ系６の光学特性と受像部１７の画素サイズより決定される被写界深度内）に位置する対象物４のみである。そこで、音響レンズ系６の焦点位置を調整し得る機構を音響レンズ系６に設けることにより、対象物４を光軸方向に撮像することが可能となる。このように、合焦機構を設けることにより、三次元領域の撮影が可能となる。
【０１０９】
また、本実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、音波吸収部１０から対象物４の方向に傾けて、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射している。しかしながら、図１１（ｂ）に示すように、対象物４側から音波吸収部１０方向に傾けて第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射してもよい。ただし、図１１（ｂ）に示すように第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを照射する場合、図１１（ａ）の構成で生成される実像に対して、図１１の紙面を鏡像対称面にとした鏡像関係にある実像が得られる。そのため、対象物４の正しい向きの実像１８を得るためには、撮影された画像に対して、平面鏡などで１回反射させて光学的に鏡像反転させたり、画像処理部２０５によって鏡像反転を行う必要がある。
【０１１０】
また、本実施形態では、像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用いたが、同様の光学的作用を有する他の光学系を用いてもよい。例えば、例えば、２枚の集光型シリンドリカルレンズを用いて像歪み補正部１５を構成してもよい。図１２に示すように、シリンドリカルレンズ１５１は、図中に設定した座標系のｙｚ面に平行な面内においては集光レンズとして機能するが、ｘｚ平面に平行な平面においては集光作用をもたない光学素子である。図１３に示すように、集光作用のある平面が互いに直交した２枚のシリンドリカルレンズ１６１、１６２を組み合わせた光学系は、像歪み補正部１５と結像レンズ系１６の作用を兼ね備えた光学系として機能する。図１３に示すように、シリンドリカルレンズ１６１は、ｘｙ平面の光をｙ軸に平行な直線上に集光し、シリンドリカルレンズ１６２はｙｚ平面の光をｘ軸に平行な直線上に集光する。シリンドリカルレンズ１６１の方がシリンドリカルレンズ１６２よりも長い焦点距離を有することによって、ｙｚ平面とｘｚ平面で異なる比率で結像する光学系として機能する。この光学系を図７（ａ）に示す座標において、同じ方向に配置すれば、光音響振動計１０１の像歪み補正部１５として好適に機能する。具体的には、図３における光束の扁平率ｓｉｎθを補正するように、ｙ軸方向とｘ軸方向の像の比率が１／ｓｉｎθとなるように、両レンズの焦点距離を選ぶ。より具体的には、シリンドリカルレンズ１６２の焦点距離が、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離のｓｉｎθ倍になるように選択する。この場合、シリンドリカルレンズ１６１の焦点距離は、対象物４と実像１８の相似比より決定される。
【０１１１】
（第２の実施形態）
以下、本発明による光音響振動計の第２の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態の光音響振動計１０２を模式的に示している。光音響振動計１０２は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂとして超音波を用い、非侵襲的に人や動物等の体内器官を撮像する。図１４に示すように、光音響振動計１０２は、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じ構成を備えているが、従来の超音波プローブと同様に図１に示した光音響振動計１０１の全て、あるいは、光源１１を除く構成をプローブ２１３内に備えている。
【０１１２】
図１４に示すようにプローブ２１３の探触面２１３ａに、音響波源１および音響レンズ系６が配置されている。図１４に示すように、撮像時、プローブ２１３の探触面２１３ａを被検者２１０の体表面に接触させ、体内から音響波源１から発生した第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを体内中に送波する。この時、体表面での反射減衰を低減させるために、探触面２１３ａと体表面との間に整合用ジェルやクリーム、音響インピーダンス整合層を介在させ、音響インピーダンスの整合を取ることが好ましい。
【０１１３】
第１及び第２の音響波２ａ、２ｂは、体組織２１２を伝搬し、器官２１１において、反射、散乱され、第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂとなる。第１及び第２の散乱波５ａ、５ｂは、音響レンズ系６に到達し、音響レンズ系６により平面波に変換され、第１の実施形態で説明したように器官２１１の画像を得ることができる。光音響振動計１０２の音軸７（不図示）に垂直な面内にあり撮像領域外にある器官２１１の撮像は、従来の超音波プローブと同様に光音響振動計１００を体表面で移動させることにより行うことができる。また、体内の異なる深さにある器官は、第１の実施形態で説明したように音響レンズ系６の焦点調整機構によって、焦点距離を調整し、撮影することができる。
【０１１４】
光音響振動計１０２を実現し得る具体的な構成例を、図１５を参照しながら説明する。
音響波源１から、例えば周波数１３．８ＭＨｚの正弦波２０波により構成されるバースト信号を出射する。このバースト信号の信号継続時間は１．４μｓｅｃである。また、体組織２１２中での音速は約１５００ｍ／ｓであるので、体組織２１２中における超音波正弦波の波長は約１１０μｍであり、超音波の進行方向に平行に測ったバースト信号の物理的な信号長は約２．２ｍｍである。したがって、この場合、最大で数１００ｋＨｚの振動数で振動している器官２１１を数１００μｍの空間分解能で撮影することができる。
【０１１５】
光音響媒質部８として、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体を用いる。シリカナノ多孔体は、低音速であり、超音波の伝播波長が短いので大きな回折角が得られる。また、シリカナノ多孔体は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有している。このほか、フロリナートも波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光に対して十分な透光性を有して十分な透光性を有し、フロリナートの音速は約５００ｍ／ｓであるため、光音響媒質部８として適している。
【０１１６】
光源１１として波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いる場合、１次回折光の回折角は５°となる。また、この場合、像歪み補正部１５で実現しなければならないビーム拡大率は約５．７４で、これは市販のアナモルフィックプリズムで補正可能な値である。
【０１１７】
体内に照射可能な音響波の音圧には、安全性のため、上限が設けられている。そのため、生成される回折光の光強度が弱く、受像部１７としては感度の高いものが望ましい。また、画質や光量の観点から、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂをよぎる瞬間の像１８を捉えるため、更には、連写によって対象物４の動きを観測するため、受像部１７としては高速に撮像できる撮像素子を用いることが好ましい。例えば、受像部１７としては、高速のＣＣＤイメージセンサー（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を用いる。実像１８の輝度が足りず撮像が困難な場合は、イメージ増倍管を上記イメージセンサーの直前に配置し、像１８の輝度を高めるか、または、より高出力の光源１１を用いることが好ましい。
【０１１８】
音響レンズ系６の説明で述べたように、音響インピーダンスの異なる音響媒質間の界面では音響波の反射が生じ、像１８の輝度や像質の低下を招く。界面における音響インピーダンス差が大きいほど、反射も大きくなる。このため、図１５に示すように、音響レンズ系６と媒質３との界面に反射防止膜を設けことが好ましい。例えば、音響レンズ系６の媒質３（体組織２１２）に接触するレンズを、音速５０ｍ／ｓ、密度０．１１ｇ／ｃｍ3のシリカナノ多孔体によって構成する場合、６．２μｍの厚さを有し、音速３４０ｍ／ｓ、密度０．２／ｃｍ3のシリカナノ多孔体からなる、１／４波長反射防止膜をレンズの表面に形成することが好ましい。
【０１１９】
受像部１７上で、対象物４に比べて１／５の大きさの像１８を得る場合、Ｆ／ｆ＝１．１４となる。第１の実施形態で説明したように、対象物４に対する実像１８の大きさは（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）倍であるので、（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）＝１／５の関係式が成立する。そのため、Ｆ／ｆ＝λａ／λｏ／５となり、光の波長λｏ＝６３３ｎｍと、音速５０ｍ／ｓのシリカナノ多孔体の１３．８ＭＨｚ超音波の光音響媒質部８中の波長λａ＝３．６μｍを代入すれば、Ｆ／ｆ＝１．１４が得られる。したがって、焦点距離５０ｍｍを有する音響レンズ系６を用いる場合、焦点距離５７ｍｍの結像レンズ系１６を用いることになる（Ｆ＝１．１４×ｆ＝１．１４×５０ｍｍ）。
【０１２０】
図４を参照して説明したように、対象物４に対する実像１８の相似比（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）を大きくする場合、結像レンズ系１６の焦点距離が長くする必要があり、光音響振動計１０２が大型化する。この場合、結像レンズ系１６として、例えば、カセグレン光学系に代表される折り返し型反射光学系を用いることによって、この課題を解決することができる。折り返し型反射光学系の適用により、結像レンズ系１６と実像１８の距離を実際の焦点距離Ｆよりも近づけて配置することが可能となり、光音響振動計１０２を小型化することができる。
【０１２１】
また、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆよりも近づけて配置することによっても、光音響振動計１０２の小型化を図ることができる。図４を参照しながら、光音響振動計１０１の光音響混在型光学系は、光学分野における二重回折光学系とみなせることを説明した。二重回折光学系の基本構成は、音響レンズ系６と結像レンズ系１６を各々レンズの焦点距離の和ｆ＋Ｆだけ離して配置する。しかしながら、音響レンズ系６と結像レンズ系１６間の距離をｆ＋Ｆ以外の値に設定しても、実像１８の光学像形成には影響しない。すなわち、実像１８の光学像を光強度分布として取得する限り（あるいは、実像１８の位相分布情報を観測しない限り）、音響レンズ系６と結像レンズ系１６との距離をｆ＋Ｆより短縮しても良く、光音響振動計１０２を更に小型化することができる。
【０１２２】
本実施形態では、体内から人や動物等の体内器官を撮像する光音響振動計１０２の例を説明したが、本発明の光音響振動計は、カテーテルや内視鏡、および、腹腔鏡等を通じて体内から器官や血管壁を撮像する光音響撮像として実現してもよい。
【０１２３】
（第３の実施形態）
本発明による光音響振動計の第３の実施形態を説明する。第３の実施形態の光音響振動計は、音響レンズ系６の構成が異なることを除き第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、音響レンズ系６の構成のみを説明する。図１６は、本実施形態における音響レンズ系６の構成を示している。
【０１２４】
第１の実施形態では、音響レンズ系６は全てシリカナノ多孔体で構成されていた。シリカナノ多孔体は、作製条件を調整することにより、シリカナノ多孔体中の超音波などの音響波の音速を広範囲に変えることができるという利点がある。媒質３の音速に対するシリカナノ多孔体の音速の比は、光学系における屈折率に相当する。つまり、シリカナノ多孔体は、様々な（超音波に対する）屈折率を実現しやすいフレキシブルな音響媒質である。そのため、シリカナノ多孔体を音響レンズ系６の構成部材として適用すると、音響波に対する屈折率の広範な選択性のため、音響レンズ系６の設計自由度が広がり、通常の多群構成の光学レンズと同様に各収差を良好に補正し、イメージサークルの広い音響レンズ系６を構成することができる。なお、イメージサークルとは、良好な結像特性が得られる焦点面上の領域を意味する。
【０１２５】
第１の実施形態の音響レンズ系６はこのような利点を有するが、シリカナノ多孔体同士を接合する必要があり、それに付随した以下に述べる課題が生じる。例えば、音響レンズ系６が単レンズ構成であったとしても、図１５に示した具体例のように光音響媒質部８にシリカナノ多孔体を適用する場合には、シリカナノ多孔体同士の接合が必要となる。また、音響レンズ系６が多群レンズ構成であり、光学分野のアクロマートレンズのように張り合わせレンズが必要となる場合にも、シリカナノ多孔体同士の接合が必要となる。
【０１２６】
シリカナノ多孔体と空気の音響インピーダンスは大きく異なる。したがって、接合面における反射波の生成を抑圧するためには、シリカナノ多孔体同士の接合面間に空気層が挟まれないように作成することが重要である。しかしながら、シリカナノ多孔体の作成プロセス上、空気層を挟まないように接合することは極めて難しい。したがって、第１の実施形態における音響レンズ系６では、接合面における反射波発生を抑圧することが困難である。
【０１２７】
本実施形態の音響レンズ系６は、このような課題を解決するために、反射型音響系で構成されている。図１６は、音軸７０６を含む平面における音響レンズ系６の断面図である。音響レンズ系６は、音響導波路７０５と、音響導波路７０５の内部に設けられた反射面である主鏡７０２および副鏡７０１を有する。また、音響導波路７０５内部に光音響媒質部が形成されている。音響導波路７０５は、図１６の紙面を鏡像対称面とした鏡像対称の構造を有する。図１６に示す断面構造を、音軸７０６を軸として１８０度回転させる。得られた回転体を、音軸７０６を含む平面を鏡像対称面として、鏡像対称面を挟み、これに平行な２平面で切断する。これにより、音響導波路７０５の立体形状が得られる。このような音響導波路７０５は、例えば、切削加工等で反射面を持った金属製の音響導波路７０５を作成し、作成した音響導波路中に等方的なシリカナノ多孔体を封入して、光音響媒質部８と音響レンズ系６を一体整形する。このようなプロセスによってシリカナノ多孔体同士の接合部位を全て排除しながらも、収差補正の良好な音響レンズ系６を得ることができる。
【０１２８】
本発明に好適な反射型光学系の例としては、図１６に示しように、凹面鏡である主鏡７０２と凸面鏡である副鏡７０１により構成されるカセグレン型光学系がある。更に主鏡７０２と副鏡７０１の面形状としてリッチー・クレチアン光学系を適用すれば、短焦点化した際のカセグレン型光学系の残存収差を良好に補正することができ、広いイメージサークルを実現することができる。リッチー・クレチアン光学系には焦点７０４に像面湾曲が残るので、シリカナノ多孔体の焦点側の界面（反射防止膜７０３を施してある面）に曲面加工を施して補正レンズとして機能させ、この像面湾曲を補正することができる。反射型光学系として、副鏡７０１に凹面鏡を使うグレゴリー型光学系や、シュミット・カセグレン型光学系などの他のカタディオプトリック型光学系を用いてもよい。
【０１２９】
音響レンズ系６として反射型光学系を適用することにより、作成が困難な複数種類のシリカナノ多孔体の接合を行うことなく、単一のシリカナノ多孔体のみで収差が良好に補正された音響レンズ系６を構成できる。音響レンズ系６近傍における反射波発生がないため、高輝度で像質の良い実像１８の取得が可能となる。このため本実施形態によれば、より高輝度で高画質な画像を得ることのできる光音響振動計を実現することができる。
【０１３０】
（第４の実施形態）
本発明による光音響振動計の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態の光音響振動計は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１７は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。
【０１３１】
第１の実施形態では、像歪み補正部１５はアナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いた光学系を備えていた。これに対し、本実施形態の像歪み補正部１５は、受像部１７により得られる実像８０１の信号に所定の処理を行い、画像処理によって実像８０１の補正を行う。
【０１３２】
図１７に示すように、本実施形態では、アナモルフィックプリズムやシリンドリカルレンズを用いることなく、歪んだままの回折光２０１を結像レンズ系１６で結像させる。この場合、実像８０１はｙ軸方向に歪んでいるが、この状態のまま実像８０１を受像部１７で取得する。画像処理部２０５は、受像部１７から実像８０１を示す電気信号を受け取り、画像処理により実像８０１の像歪みを取り除く。例えば、図１７に示す座標系において、実像８０１をｙ方向に１／ｓｉｎθ倍する画像処理を行うことによって、対象物４と相似な画像を生成する。
【０１３３】
本実施形態の像歪み補正部１５を用いれば、光音響振動計の構成に必要な光学素子の数を減らすことができるため、音響撮像装置を小型で低コストに提供することが可能となる。
【０１３４】
なお、回折角θが小さい場合、受像部１７の撮像面上では、対象物４が、図７で設定した座標のｙ軸方向に大きく伸張して撮影される。このため、画像処理後の画像解像度がｘ軸方向、ｙ軸方向で異なる。この場合、図８に示す、光学的な像歪み補正部１５と、本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５との両方を光音響振動計が備えることにより、ｘ方向およびｙ方向における画素解像度をほぼ等しくすることが可能となる。
【０１３５】
また、図７に示した光学的な像歪み補正部１５としてアナモルフィックプリズム３０１を用い、さらに本実施形態の画像処理による像歪み補正部１５を用いる場合、多数の回折光２０１のアナモルフィックプリズム３０１への入射角度が異なることに起因する像面歪曲が発生するので、その収差補正も本実施形態の画像処理を行うことが好ましい。
【０１３６】
（第５の実施形態）
本発明による光音響振動計の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態の光音響振動計は、像歪み補正部１５の構成が異なることを除き、第１の実施形態の光音響振動計１０１と同じである。このため、像歪み補正部１５の構成のみを説明する。図１８は、本実施形態における像歪み補正部１５の構成を模式的に示している。回折光の回折角をθ（θの定義はこれまでの説明と同一である）とした場合、本実施形態の像歪み補正部１５は、図１８に示す座標のｘ軸方向に回折光２０１の光束幅をｓｉｎθ倍する縮小光学系９０１を含む。平面音波９の音束の断面形状が直径Ｌの円形であるとすると、回折光２０１の光束の断面形状は、ｘ軸方向にＬ、ｙ軸方向にＬ×ｓｉｎθの楕円となる。縮小光学系９０１により、回折光２０１はｘ軸方向にｓｉｎθ倍されるため、歪み補正後の回折光９０２の光束の断面形状は、直径Ｌ×ｓｉｎθの円形となる。第１及び第２の実施形態では、像歪み補正部１５は回折光２０１を直径Ｌの光束に補正していたが、本実施形態では直径Ｌ×ｓｉｎθの光束に補正する。
【０１３７】
第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、音響レンズ系６の焦点距離をｆ、結像レンズ系１６の焦点距離をＦ、超音波である平面音波９の波長をλａ、単色光である平面波光束１４の波長をλｏ、そして、回折角をθとする。このとき、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状は円形になるため、実像１８は対象物４と相似となる。また、フーリエ光学によれば、その相似比は（λａ×ｆ）／（λｏ×Ｆ）×ｓｉｎθとなる。ところが、（式１）の関係があるので、回折光２０１が＋１次回折光である場合、相似比は１／２×（ｆ／Ｆ）となる。
【０１３８】
このように、縮小光学系９０１によって、相似比が超音波と単色光の波長に依存しなくなるため、例えば、ｆ／Ｆ＝２となるよう音響レンズ系６および結像レンズ系１６の焦点距離比を選べば、対象物４と同じ大きさの実像１８が得られ、高分解能で対象物４の画像を取得することが可能となる。さらに、ｆを短くすればＦも短くなるため、光音響振動計の小型化もはかることが可能となる。更に、歪み補正後の回折光９０２の光束が細くなることから、結像レンズ系１６の開口径が小さくなり、装置全体が小型化されると共に、結像レンズ系１６に高い面精度が必要ではなくなる。
【０１３９】
第１および第２の実施形態では、対象物４に対する実像１８の相似比は（Ｆ×λｏ）／（ｆ×λａ）であった。図１５に示した具体例で述べたように、実際には単色光波長λｏに比べ超音波波長λａがかなり長いため、大きな実像１８を得るためには焦点距離の非常に長い結像レンズ系１６が必要となる。このため、光音響振動計１００が大型化するか、あるいは、特殊な光学系構成の結像レンズ系１６を用いる必要がある。これに対し、本実施形態によれば、像歪み補正部１５として縮小光学系９０１を用いることによって、小開口径で短い焦点距離の結像レンズ系１６を用いなが、実像１８を高解像度で撮影することが可能となり、かつ、光音響振動計の小型化が可能となる。
【０１４０】
なお、本実施形態では、縮小光学系９０１がアナモルフィックプリズムで構成されているが、同様な作用を有する他の縮小光学系を用いてもよい。
【０１４１】
また、本実施形態では、平面音波９の音束断面形状が直径Ｌの円形である場合、光束断面形状が直径Ｌ×ｓｉｎθの円形状の歪み補正後の回折光９０２を得ている。しかし、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるように矯正しても、結像レンズ系１６の焦点を短くし、撮影の解像度を高められる。例えば、２つの像歪み補正部１５を設け、図１８に示す座標において、ｘ軸方向に対しては縮小光学系を、ｙ軸方向に対しては拡大光学系を用いてもよい。具体的には、ｘ軸方向のビーム縮小率、ｙ方向のビーム拡大率を選び、歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状がＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）の円形になるようにすればよい。
【０１４２】
また、本実施形態の像歪み補正部１５と第４の実施形態の像歪み補正部１５とを備えた光音響振動計を実現してもよい。歪み補正後の回折光９０２の光束断面形状が図１７で設定した座標系において、ｘ軸方向にはＣ×Ｌ（ただし、Ｃ＜１）、ｙ軸方向にはＬ×ｓｉｎθの楕円形状となるよう縮小光学系９０１のビーム縮小率を設定する。これにより、撮影された画像の分解能を結像レンズ系１６の焦点面上によらずほぼ等しくすることができる。
【０１４３】
（第６の実施形態）
図１９を参照しながら、本発明による光音響振動計の第６の実施形態を説明する。図１９に示す第６の実施形態の光音響振動計１０６は、角度調整部１３０２および角度調整部１３０３をさらに備えている点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１４４】
図１９に示すように、光源１１、ビームエクスパンダー１２、ビームスプリッター１９、および、平面鏡２１より構成される光学系を、光束生成光学系１３０４とする。また、ビームスプリッター２０、平面鏡２２、像歪み補正部１５、結像レンズ１６、および、受像部１７より構成される光学系を、回折光結像光学系１３０５とする。光軸１３０１は、第２の回折光２０１ｂの光束の中央を通り、進行方向に平行な直線である。
【０１４５】
光音響振動計１０６は、音軸７に対して光束生成光学系１３０４の光軸１３のなす角度を調整する角度調整部１３０２と、音軸７に対して回折光結像光学系１３０５の光軸１３０１のなす角度を調整する角度調整部１３０３とを備える。角度調整部１３０２および角度調整部１３０３は連動しており、音軸７と光軸１３の成す角度と、音軸７と光軸１３０１の成す角度が等しくなるよう角度調整される。
【０１４６】
第１の実施形態で説明したように、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂを構成する正弦波の周波数と、光源１１の光束の波長から、音軸７に対する回折光２０１の回折角９０°−θが決定される。光音響振動計１０２は、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの周波数が変わっても、角度調整部１３０２および角度調整部１３０３によって回折角に一致するように光軸１３、１３０３の音軸７に対する角度を調整できる。これにより、これにより、まず低周波音響波で大まかに対象物４を撮影し、次に高周波音響波を用いて細部まで高精細に対象物４を撮影することができる。これにより、撮像時間の短縮を図ることができる。
【０１４７】
（第７の実施形態）
図２０を参照しながら、本発明による光音響振動計の第７の実施形態を説明する。図２０に示す第７の実施形態の光音響振動計１０７は、平行移動部１７０３および平行移動部１７０４をさらに備えている点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１４８】
本発明の光音響振動計を用いて、対象物４の正確な変位量の計測するためには、対象物４の形状や変位を正しく反映した像１８を生成し、取得することが好ましい。第１〜第６の実施形態では、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂが、同時かつ正確に、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂが照射している領域に位置するよう、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの生成時刻を制御していた。
【０１４９】
しかし、対象物４の変位や移動が周期的であり、その周期の整数倍が第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの送信時間間隔に一致する場合、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂが対象物４に到達するときの対象物４の変位または移動位置は等しくなり、生成した像１８には変位状態を示す干渉縞は現れない。つまり、対象物４の変位量分布や速度分布を観測することはできない。
【０１５０】
本実施形態の光音響振動計１０７は、このような場合でも、対象物４の変位量分布や速度分布を観測することができる。このために、光音響振動計１０７は、平行移動部１７０３および平行移動部１７０４を備える。平行移動部１７０３は、ビームスプリッター１９を平面波光束１４の光軸１７０１に平行に移動させることにより、第１の平面波光束１４ａの照射位置を調整する。また、平行移動部１７０４は、平面鏡２２からビームスプリッター２０へ向かう第１の回折光２０１ａの光軸１７０２に平行に平面鏡２２を移動させることにより、第１の回折光２０１ａの生成位置がシフトしても、第１の回折光２０１ａを正しくビームスプリッター２０へ入射させることができる。
【０１５１】
これにより、第１及び第２の音響波２ａ、２ｂの送信間隔τが対象物４の変位や移動の周期の整数倍と一致しないように、送信間隔τを決定し、決定したτに応じて、第１の平面波光束１４ａの光音響媒質部８への入射位置を変える。これにより、対象物４の変位量分布や速度分布を正しく観測することができる。
【０１５２】
（第８の実施形態）
図２１を参照しながら、本発明による光音響振動計の第８の実施形態を説明する。図２１に示す第８の実施形態の光音響振動計１０８は、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂに代えて１つの平面波光束１４を光音響媒質部８に入射させる点で第１の実施形態の光音響振動計１０１と異なる。このため、本実施の形態の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ参照符号を付し、他の構成要素の説明は省略する。
【０１５３】
第１の実施形態では、第１及び第２の平面波光束１４ａ、１４ｂを光音響媒質部８に入射させていたが、上述したように、τ×νに一致する間隔で位置する２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射する光源１１であればよい。
【０１５４】
このために、光音響振動計１０８は、大きなビーム拡大率を持ったビームエクスパンダー１２を用いて太いビーム径を有する平面波光束１４を生成する。生成した平面波光束１４を例えば、平面鏡２１で反射させ、２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射する。平面鏡２１を用いず、直接平面波光束１４を光音響媒質部８に入射させてもよい。
【０１５５】
光音響媒質部８中において、第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂ平面音波９の存在する領域でのみ回折光が生じるので、このような光束を用いても、第１の実施形態と同様、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂを生成することができる。よって、第１の実施形態と同様、対象物４の変位量分布や速度分布を正しく観測することができる。
【０１５６】
本実施形態によれば、ビームスプリッター１９が不要であるため、ビームスプリッター１９の位置を調整しなくてもよい。また、２点Ｐ１、Ｐ２に到達した第１及び第２の平面音波９ａ、９ｂを同時に照射することができれば、２点Ｐ１、Ｐ２の位置が正確にわかっていなくても、第１及び第２の回折光２０１ａ、２０１ｂを生成することができる。こんため、本実施形態によれば、光音響振動計１０１の構成を簡単にすることができ、また、光学系の調整を簡単にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５７】
本発明の光音響振動計は、音響波による像を光学画像として取得することができるため、超音波診断装置用のプローブ等として有用である。また、振動物体から放射される音響波を光学画像として観察できるので非破壊振動測定装置等の用途にも応用できる。さらに、微小な周期運動を非接触で測定する非接触振動計や、振動の面内分布を測定する振動モード解析装置としても利用できる。
【符号の説明】
【０１５８】
１ 超音波波源
２ａ 第１の音響波
２ｂ 第２の音響波
３ 媒質
４ 対象物
５ａ 第１の散乱波
５ｂ 第２の散乱波
６ 音響レンズ系
７ 音軸
１３、２３、７０６、１３０１、１７０１、１７０２ 光軸
８ 光音響媒質部
９ａ 第１の平面音波
９ｂ 第２の平面音波
１０ 音波吸収部
１１ 光光源
１２ ビームエクスパンダー
１４ａ 第１の平面波光束
１４ｂ 第２の平面波光束
２０４ 平面波光束
１５ 像歪み補正部
１６ 結像レンズ系
１７ 受像部
１８、１４１、１４２、４０５、４０８、８０１ 像
１９、２０ ビームスプリッター
２１、２２ 平面鏡
１０１、４００ 光音響振動計
１４３、１４４ 光束
１４５ 光路長差
１４６ 重畳後の実像
１４７、１４８ 像点
１５１、１６１、１６２ シリンドリカルレンズ
１９１ 太鼓の皮
１９２ スピーカ
１９３ 単色音波
１９４ 撮影方向
２０１ａ 第１の回折光
２０１ｂ 第２の回折光
２０２ 回折格子
２０３ 単色光
３０１ アナモルフィックプリズム
３０２、９０２ 歪み補償後の回折光
３０３ くさび状プリズム
４０１、４０７ 物体
４０２ フーリエ変換面
４０３、４０４ レンズ
４０６ 音響光変換部
７０１ 副鏡
７０２ 主鏡
７０３ 反射防止膜
７０４ 焦点
７０５ 音響導波路
９０１ 縮小光学系
１３０２、１３０３ 角度調整部
１３０４ 光束生成光学系
１３０５ 回折光結像光学系
１７０３、１７０４ 平行移動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源と、
前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ所定の収束状態の第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系と、
音響レンズ系の音軸を含むように配置され、前記第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部と、
前記光音響媒質部中の前記音軸上において、前記第１の平面音波が前記所定の時間に前記光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源と、
前記少なくとも１つの平面波光束が、前記第１及び第２の平面音波によって回折することにより、前記光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部と、
前記重畳した回折光を集光する結像レンズ系と、
前記集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部と、
を備える光音響振動計。
【請求項２】
前記重畳した回折光および前記電気信号によって表される前記対象物の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備える請求項１に記載の光音響振動計。
【請求項３】
各単色光のスペクトル幅は１０ｎｍ未満である請求項２に記載の光音響振動計。
【請求項４】
前記音響レンズ系は屈折型音響系である、請求項１から３のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項５】
前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されている請求項４に記載の光音響振動計。
【請求項６】
前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備える請求項５に規定の光音響振動計。
【請求項７】
前記音響レンズ系は反射型音響系である請求項１から３のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項８】
前記音響レンズ系は２以上の反射面を含む請求項６に記載の光音響振動計。
【請求項９】
前記音響レンズ系は、焦点調整機構を含む、請求項１から８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１０】
前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する第１及び第２の平面波光束を出射する請求項１から９のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１１】
前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する１つの平面波光束を出射する請求項１から９のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１２】
前記光重畳部は、無偏光ビームスプリッターを含む請求項１から１１のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１３】
前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を拡大する光学部材を含む請求項１から１２のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１４】
前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を縮小する光学部材を含む請求項１から１２のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１５】
前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成される請求項１３または１４に記載の光音響振動計。
【請求項１６】
前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む請求項１３から１５のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１７】
前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行う請求項１から１５のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１８】
前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含む請求項１から１７のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１９】
前記第１及び第２の回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含む請求項１から請求項１８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項２０】
前記光源から出射する前記少なくとも１つの平面波光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能である請求項１から１８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項２１】
前記第１及び第２の音響波の送信時刻を制御するトリガ回路をさらに含む請求項１から２０のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１】
第１及び第２の音響波を所定の時間間隔で送信する音響波源と、
前記第１及び第２の音響波が対象物を照射することにより生じた第１及び第２の散乱波をそれぞれ所定の収束状態の第１及び第２の平面音波に変換する音響レンズ系と、
音響レンズ系の音軸を含むように配置され、前記第１及び第２の平面音波が伝搬する光音響媒質部と、
前記光音響媒質部中の前記音軸上において、前記第１の平面音波が前記所定の時間に前記光音響媒質部を伝搬する距離に一致する間隔で位置する２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度で照射する少なくとも１つの平面波光束を出射する光源と、
前記少なくとも１つの平面波光束が、前記第１及び第２の平面音波によって回折することにより、前記光音響媒質部においてそれぞれ生成する第１及び第２の回折光を重ね合わせ、重畳した回折光を生成する光重畳部と、
前記重畳した回折光を集光する結像レンズ系と、
前記集光された回折光を検出し、電気信号を出力する受像部と、
を備える光音響振動計。
【請求項２】
前記重畳した回折光および前記電気信号によって表される前記対象物の像の少なくとも一方の歪みを補正する像歪み補正部をさらに備える請求項１に記載の光音響振動計。
【請求項３】
各単色光のスペクトル幅は１０ｎｍ未満である請求項２に記載の光音響振動計。
【請求項４】
前記音響レンズ系は屈折型音響系である、請求項１から３のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項５】
前記音響レンズ系は、シリカナノ多孔体またはフロリナートによって構成されている請求項４に記載の光音響振動計。
【請求項６】
前記音響レンズ系は、少なくとも１つの屈折面と、少なくとも１つの屈折面に設けられた音響波の反射を防止する反射防止膜とを備える請求項５に規定の光音響振動計。
【請求項７】
前記音響レンズ系は反射型音響系である請求項１から３のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項８】
前記音響レンズ系は２以上の反射面を含む請求項６に記載の光音響振動計。
【請求項９】
前記音響レンズ系は、焦点調整機構を含む、請求項１から８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１０】
前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する第１及び第２の平面波光束を出射する請求項１から９のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１１】
前記光源は、前記２点を、前記音軸に対して、非垂直かつ非平行な角度でそれぞれ照射する１つの平面波光束を出射する請求項１から９のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１２】
前記光重畳部は、無偏光ビームスプリッターを含む請求項１から１１のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１３】
前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を拡大する光学部材を含む請求項１から１２のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１４】
前記像歪み補正部は、前記重畳した回折光の断面を縮小する光学部材を含む請求項１から１２のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１５】
前記光学部材はアナモルフィックプリズムによって構成される請求項１３または１４に記載の光音響振動計。
【請求項１６】
前記結像レンズ系および前記光学部材の少なくとも一方は、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む請求項１３から１５のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１７】
前記像歪み補正部は、前記電気信号に基づき画像処理を行う請求項１から１５のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１８】
前記光音響媒質部は、シリカナノ多孔体、フロリナートおよび水の少なくとも１つを含む請求項１から１７のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項１９】
前記第１及び第２の回折光は、強度比で１／２以上のＢｒａｇｇ回折光による成分を含む請求項１から請求項１８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項２０】
前記光源から出射する前記少なくとも１つの平面波光束の光軸は前記音響レンズ系の音軸に対して調整可能である請求項１から１８のいずれかに記載の光音響振動計。
【請求項２１】
前記第１及び第２の音響波の送信時刻を制御するトリガ回路をさらに含む請求項１から２０のいずれかに記載の光音響振動計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−１０１０７９（Ｐ２０１３−１０１０７９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５７６６（Ｐ２０１１−２４５７６６）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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