音響信号受信装置
【課題】音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、高感度特性を実現することを可能とする技術を提供する。
【解決手段】測定光が入射される第１のミラー、第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、音響波の入射による音響波受信層の変形に応じた第１のミラー及び第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器を有し、補償層における屈折により、音響波受信層の膜厚分布による光路長のばらつきが補償される音響信号受信装置を用いる。
【解決手段】測定光が入射される第１のミラー、第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、音響波の入射による音響波受信層の変形に応じた第１のミラー及び第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器を有し、補償層における屈折により、音響波受信層の膜厚分布による光路長のばらつきが補償される音響信号受信装置を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング技術を用いた装置の研究も医療分野で積極的に進められている。
【０００３】
このような光イメージング技術の一つとして、Photoacoustic Tomography（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている。ＰＡＴにおいては、光源から発生したパルス光を被検体に照射することで、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から音響波（以降光音響波とも呼ぶ）が発生する。この光音響波を複数の個所で検出し、それらの信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化することができる。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を高い解像度で得ることができる。
【０００４】
音響波の検出器としては、圧電現象を用いたトランスデューサーが一般に用いられる。また容量の変化を用いたトランスデューサーが一般に供されつつある。
さらに近年、光の共振を用いた検出器が研究報告されている（非特許文献１）。これはファブリーペロー型干渉計の原理に基づいて音響波を検出する技術（以下、ＦＰ方式とも称する）であり、広帯域な受信性能を有しており、高精細な画像が得られることが特長である。
【０００５】
しかしながら、ＦＰ方式は測定時間が長いという課題がある。例えば非特許文献１では、光音響波の二次元分布データを取得する際に、光の反射率を評価するための測定光をガルバノメータによって走査している。つまり、１つのボリュームデータを取得するために、光の共振位置をラスタースキャンさせて各位置でデータ取得する。それと同時に、測定位置毎に最適な波長に設定するために、測定波長を各位置毎に変化させながらデータを取得している。そのため、数ミリメートル角の３次元像を得るために１０分以上かかることが報告されている。
【０００６】
一般に測定器は、なるべく短時間でデータ取得することが実用の点で重要である。特に測定対象物が生体などの場合、体動の影響などにより被検体の状態が逐次変化してしまうため、データ取得に時間を要すると正しい像が得られなくなってしまう。
そこで、弾性波の二次元分布を一括取得するために、二次元アレイ型センサとしてＣＣＤカメラを用いてＦＰ方式の受信素子にて取得した超音波の音圧を検出した例が報告されている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】E. Zang, J. Laufer, and P. Beard, ”Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues”, Applied Optics, 47, 561-577(2008)
【非特許文献２】M. Lamont, P. Beard,”2D imaging of ultrasound fields using CCD array to map output of Fabry-Perot polymer film sensor”, Electronics Letters, 42, 3, (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記背景で述べたとおり、ＦＰ方式の音波検出装置において、ＣＣＤなどを用いて二次元面内の光検出を一括取得することは測定時間短縮のために非常に有効である。しかしながら、本発明者らが実用化を視野にいれて鋭意検討したところによると、非特許文献２には記載されていない課題が明らかとなった。
【０００９】
ＦＰ方式は音響波を受信膜にて受信し、その音圧が到達した際の受信膜の僅かな厚みの変化を光によってモニタし、音圧を検出する方法である。すなわち、成膜された受信膜の膜厚が少しでも設計値と異なると、正しく音圧を測定することが出来なくなる。一般に受信膜の成膜にはプロセスばらつきが存在するため、ひとつの基板上であっても膜厚のばらつきが少なからず存在するが、この膜厚のばらつきが製品の設計許容値以内に収まっていれば実用に供することが可能となる。
【００１０】
しかしながら、本発明者らが設計許容値を計算したところによると、ＦＰ方式の音響波検出器では数ナノメートルの膜厚分布が存在する場合であっても、受信感度に影響をおよぼすことが明らかとなった。つまり、二次元面内にて一括で正しく信号を受信しようとすると、数ナノメートル以内に膜厚分布を抑える必要がある。ところが現実的な成膜プロセスではこのような厳密な制御を行うことが極めて困難である。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、高感度特性を実現することを可能とする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、測定光が入射される第１のミラー、前記第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、前記第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第１のミラー及び前記第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器と、を有し、前記補償層における屈折により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償されることを特徴とする音響信号受信装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、高感度特性を実現することを可能とする技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。
【図２】ファブリーペロー型干渉計の反射特性の一例を示す図。
【図３】本発明のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。
【図４】本発明を適用できるファブリーペロー型探触子の構造の一例を示す図。
【図５】本発明を適用できる生体情報イメージング装置の構成の一例を示す図。
【図６】本発明の実施形態における素子の作製プロセスの一例を示す図。
【図７】本発明の実施形態における制御方法の一例を示す図。
【図８】本発明の実施形態におけるタイムチャートの一例を示す図。
【図９】本発明の実施形態における電極構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［受信素子を構成する基本形態］
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本発明における測定光とは、ファブリーペロー（ＦＰ）型干渉計による測定に用いる光のことを指す。ＦＰ型干渉計に入射する入射光、およびＦＰ型干渉計で反射しアレイ型光センサに導かれる反射光も全て測定光に含まれる。
【００１６】
まず図１を用いて、従来報告されている光の共振を用いた音響波検出素子の説明を行う。この図に示すとおり、平行な反射板の間で光を共振させる構造をＦＰ型干渉計という。今後このＦＰ型干渉計を利用した音響波検出器をＦＰ型探触子と呼ぶことにする。
【００１７】
厚みｄを持つ高分子膜１０４が、第１のミラー１０１と第２のミラー１０２で挟まれて、共振器１０３を形成する。図示したように、第１のミラー１０１と第２のミラー１０２はキャビティとなるように対向配置されている。第１のミラー１０１から入射光１０５を干渉計に照射する。このとき、反射光１０６の光量Ｉｒは次の式（１）のようになる。
【数１】
ここでφは、以下の式（２）で表される。
【数２】
ここで、Ｉｉは入射光１０５の入射光量、Ｒは第１のミラー１０１と第２のミラー１０２の反射率、λ０は入射光１０５、および反射光１０６の波長、ｄはミラー間距離、ｎは高分子膜１０４の屈折率である。φは二枚のミラー間を往復する際の位相差に相当する。
【００１８】
反射率Ｉｒ／Ｉｉをφの関数としてグラフ化したものの一例を図２（ａ）に示す。周期的な反射光量Ｉｒの落ち込みが生じ、φ＝２ｍπ（ｍは自然数）となるときに反射率は最も低くなる。
ＦＰ型探触子に音響波１０７が入射すると、探触子の変形によりミラー間距離ｄが変化する。これによってφが変化するため反射率Ｉｒ／Ｉｉが変化する。反射光量Ｉｒの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波１０７を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波１０７の強度は大きいということになる。
【００１９】
音響波１０７が入射した際に、反射光量Ｉｒが大きく変化するためには、φの変化に対する反射率Ｉｒ／Ｉｉの変化率を大きくする必要がある。図２では、φｍにおいて、一番変化率が大きい、つまり傾きが急であるため、φｍにおいてもっとも感度が良い素子と言える。
【００２０】
反射率Ｉｒ／Ｉｉをλ０の関数としてグラフ化したものを図２（ｂ）に示す。反射率Ｉｒ／Ｉｉの変化率が最も大きいλｍに波長を合わせることが位相差をφｍに合わせることに相当し、感度が最大になる。
このように、ＦＰ型探触子では使用する測定波長が決まれば最適な膜厚が求められる。そこで例えばこの図を参照すれば、単一波長λＡの光源を用いる場合に、膜厚のばらつきとして概ね±０．０５％以内に抑える必要がある。この数値は成膜技術としてかなり高度な精度が要求されることになる。
【００２１】
ＦＰ型探触子の受信面をｘｙ平面とし、各位置での膜厚をｄ（ｘ，ｙ）とし、各位置での最適感度を表すφｍをφｍ（ｘ，ｙ）とすると、式（３）のように表現される。
【数３】
【００２２】
上記に基づいて、本発明の特徴とするところは、膜厚ｄ（ｘ，ｙ）が場所によって変化する場合でも、φｍが場所によらず一定の値を取ることである。そのために、本発明では屈折率ｎにｘｙ平面内で分布を持たせ、すべてのｘｙ座標においてφｍが略一定値となるようにするのが狙いである。そのために本発明では、共振器の間に受信層と補償層との２層を組み込んで干渉計を動作させる。つまりこの光路長は屈折率ｎと物理的な厚みであるｄの積で表せるが、このうちｎについてもｘｙ平面内で分布を持たせる。つまり、式（４）で表されるような考え方を導入して、素子全体で光路長を一定にする。
【数４】
【００２３】
図３を用いて本発明の補償型ＦＰ方式音響波検出素子の説明を行う。基本的な構成は図１のものとほぼ同様である。ＦＰ干渉計３０３は対向配置された２枚のミラー３０１と３０２で挟まれている。ＦＰ干渉計３０３において、音響波３０７を受信する層３０４の屈折率をｎｒ、補償層３０９の屈折率をｎｃ、補償層の支持基板３０８の屈折率をｎｓ、受信層３０４の膜厚をｄｒ、補償層の膜厚をｄｃ、補償層の支持基板３０８の膜厚をｄｓとする。このとき位相差は、式（５）で表される。
【数５】
実質的には音響波受信層および支持基板の屈折率はほぼ一定であるため、式５は以下のように表すことができる。
【数６】
これも図２と同様の特性を示す。ＦＰ型探触子に音響波３０７が入射すると、ミラー間距離ｄが変化する。これによってφが変化するため、反射率Ｉｒ／Ｉｉが変化する。反射光量Ｉｒの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波１０７を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波１０７の強度は大きいということになる。
【００２４】
ここで、測定光の波長λＡが固定値だとすると、位相差をφｍに合わせるためには他のパラメータを調整する必要がある。ここでｎｒ、ｎｓは材料によって決まる物性値であり、ｄｒ、ｄｃ、ｄｓは製造プロセスによって決まるパラメータである。そこで、本発明では補償層の屈折率ｎｃを変調することによって、製造プロセスのばらつきで生じるｄの分布に起因する光路長のばらつきを補償する。
補償層の屈折率ｎｃの変調だけでは製造ばらつきを吸収しきれない場合には、測定光の波長を１つ増やし、ＦＰ探触子の領域を分けて、ある領域では波長λＡを用い、別の領域では波長λＢを用いるようにすることで広い面積を補償可能となる。ばらつきの程度によってはこの波長の数をさらに増加させても良い。波長数を増加させると構成が複雑になるが、波長を連続可変するレーザーを用いるよりコストや出力の点で優位であれば採用すれば良い。なお、補償層に用いる材料については後述する。
【００２５】
ＦＰ型探触子では測定光である入射光１０５（３０５）が当たっている位置のみの反射光量変化を測定しているため、入射光のスポット領域が受信感度のある領域となる。よって、入射光をガルバノメータ等でラスタースキャンすることにより、音響波の二次元分布データを得ることができる。ここで得られた音響波の二次元分布データを用いて信号処理を行うことで画像を得る。
本発明の場合、入射光として単一波長を用いることが可能であるため、素子全面に同時に入射光を照射し、反射光をマトリクス型の画像センサを用いることで、ラスタースキャンすることなく高速に画像取得することができる。また、例えば一般に用いられるデジタルカメラ用のＣＣＤやＣＭＯＳ撮像素子は画素ピッチが数ミクロンであるため、十分高い解像度を得ることが可能である。
【００２６】
図４に、本実施形態におけるＦＰ型探触子の断面構造を説明する基本概念図を示す。第１のミラー４０１と第２のミラー４０２の材料としては誘電多層膜や金属膜を用いることができる。ミラーの間には音響波受信膜４０３が存在する。音響波受信膜４０３は弾性波がＦＰ型探触子に入射した際のひずみが大きいものが好ましく、例えば有機高分子膜が用いられる。有機高分子膜としてはパリレン、ＳＵ８、またはポリエチレンなどを用いることが出来る。音波を受信したときに膜が変形すれば採用可能であるので、無機膜であっても構わない。
【００２７】
本発明では上記の従来の構成に加えて、ミラー間に光路長補償層４０４を設ける。この光路長補償層は前記音響波受信膜４０３の膜厚分布を補償するように配設されるものである。これら音響波受信膜４０３と光路長補償層４０４、および、補償層を支持する基板を含む層４０５など、ミラー間に存在する層を総合して共振器を形成させる。
【００２８】
光路長補償層４０４は外部からの制御容易性の観点で液晶が好適に用いられる。例えば一般に用いられているネマティック液晶材料では以下のように用いる。まず、ラビング処理などにより一軸平行配向処理された２枚のガラス基板を反平行に組み合わせて液晶セルを作製する。そして、誘電異方性が正の液晶を注入し基板間に十分高い電圧を印加すると、液晶分子が基板に略平行方向から略垂直方向へと配向変形することが知られている。このとき前記一軸配向処理された方向の屈折率（異常光屈折率）は、電圧無印加時にはほぼ液晶分子長軸方向の屈折率を示すのに対し、十分な電圧を印加し液晶分子が基板に垂直になったときにはほぼ液晶分子短軸方向の屈折率を示すことになる。これにより、本液晶素子の一軸配向処理方向に偏光を与えたときの光路長を連続的に変調させることが可能となる。
【００２９】
誘電異方性が負の液晶の場合には略垂直配向させ、反平行方向にプレチルト角を付与した基板を用いることにより、電圧印加によって前記と同様に光路長を連続的に変化させることができる。
【００３０】
その他に、例えば公知の高分子安定化ブルー相の液晶を用いれば、偏光の方向によらず屈折率を変調させることが可能である。あるいは螺旋ピッチが波長よりも短い強誘電性液晶を用いることも可能である。
屈折率を変調させる機能を有してさえいれば本発明に供することが可能となるため、液晶性を有さない別の材料を用いても構わない。例えば補償層としてショ糖水溶液を用い、音波受信層の膜厚分布に合わせてショ糖の濃度勾配を付与すれば屈折率を変調することができる。あるいはショ糖の代わりに濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用いれば、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与し、屈折率を制御することが可能となる。
こうした補償層の屈折率を外部から変調するために、電極や駆動装置が配設される（図示せず）。
【００３１】
ＦＰ型探触子全体は保護膜４０７で保護されている。保護膜４０７としてはパリレンなどの有機高分子膜やＳｉＯ２などの無機膜を薄膜形成した物が用いられる。第１のミラー４０１が成膜される基板４０６はガラスやアクリルを用いることができる。その際、基板４０６内での光の干渉による影響を減らすために、基板４０６は楔形であることが好ましい。さらに、基板４０６表面における光の反射を避けるために、ＡＲコート処理４０８を施すことが好ましい。
【００３２】
［システムを構成する基本形態］
図５に、本実施形態におけるイメージング装置の構成例を説明する図を示す。
本実施形態のイメージング装置は、被検体５０１に照射し光音響波５０２を励起する励起光５０３を出射する励起光源５０４を備える。被検体５０１が生体である場合には、生体内の腫瘍、血管など、被検体５０１の内部の光吸収体を画像化することが可能である。あるいは被検体５０１の表面の光吸収体を画像化できる。これら被検体５０１の内部もしくは表面における光吸収体が、光のエネルギーの一部を吸収することによって光音響波５０２が発生する。この光音響波５０２を検出するための、ＦＰ型探触子５０５を備える。このＦＰ型探触子は、上述の膜厚分布を補償するための補償層が設けられており、外部から制御することが可能である。これを制御するための制御部５１７を備える。
【００３３】
ＦＰ型探触子５０５には、測定光５０６を照射することによって音圧を検出させることができる。この測定光５０６を生成するための測定光用光源５０７を備える。また、測定光用光源を制御するための制御部５０８を備える。測定光用光源５０７は単一波長光源を用いてもよいし、波長を切り替えられる光源を用いてもよい。連続的に波長可変できる光源を用いても良い。波長の切り替えや光照射のオンオフを制御部５０８にて行う。
さらに、ＦＰ型探触子５０５に入射した測定光５０６の反射光量を測定し、電気信号に変換するためのアレイ型光センサ５０９を備える。以上により音響信号受信装置が構成される。
【００３４】
上記音響信号受信装置に、さらに信号処理部５１０と画像表示部５１１を構成することによってイメージング装置を構成する。つまり本実施形態のイメージング装置では、アレイ型光センサ５０９で得られた電気信号を信号処理部５１０において解析し、得られた光学特性値分布情報を表示する画像表示部５１１を備える。
【００３５】
測定光５０６はレンズ５１２で拡大され、ＦＰ型探触子５０５において反射したのちに、アレイ型光センサ５０９に入射する。これにより、ＦＰ型探触子５０５上の反射強度分布を得ることが出来る。光学系としてミラー５１３やハーフミラー５１４を用いる。光学系は、ＦＰ型探触子５０５における反射率を測定できるような構成であればよく、ハーフミラー５１４の代わりに偏光ミラーと波長板を用いる構成や、光ファイバーを用いる構成を採ることができる。この光学系により、ＦＰ型探触子５０５上の位置と、アレイ型光セ
ンサ５０９上のピクセルが対応づけられる。
【００３６】
アレイ型光センサ５０９としては二次元アレイ型、一次元アレイ型の光センサを用いる。例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを用いることができる。ただし、ＦＰ型探触子５０５に光音響波５０２が入射した際の、測定光５０６の反射光量を測定し電気信号に変換できるものであれば、これ以外のアレイ型光センサも使用できる。
【００３７】
ＦＰ型探触子５０５のミラー間の距離は位置によりばらつきがあるため、それぞれの位置（アレイ型光センサ５０９上の対応づけされた各々のピクセル）において補償層を用いて屈折率を調整し、素子面内において光路長を一定にする。
【００３８】
被検体５０１へ照射する励起光５０３は、被検体５０１を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特性の波長の光を用いる。励起光５０３はパルス光を用いることが出来る。パルス光は、数ピコから数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノから数十ナノ秒のパルス光を採用することが好ましい。励起光５０３を発生する光源５０４としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなどを用いることも可能である。
【００３９】
光音響波励起用レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Optical Parametric Oscillators）やＴｉＳ（Titanium Sapphire）を用いれ
ば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。
使用する光源の波長に関しては、生体組織による吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。生体以外の被検体、もしくは生体において観測領域を表面近傍とする場合には、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域、さらには紫外線領域、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
【００４０】
図５では被検体に対して、ＦＰ型探触子５０５の影にならない方向から励起光５０３を照射している。しかし、ＦＰ型探触子が励起光５０３の波長を透過する構成にしておけば、ＦＰ型探触子を通して励起光５０３を照射することも可能である。
【００４１】
被検体５０１から生じる光音響波５０２を効率的にＦＰ型探触子５０５で検出するために、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間には音響結合媒体を使うことが望ましい。図５では音響結合媒体として水を用いて、水槽５１５中に被検体５０１が配置している図を示しているが、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間には音響結合媒体が介していれば良い。例えば、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間に、超音波診断用のマッチングジェルを塗る構成にしてもよい。
【００４２】
ＦＰ型探触子５０５は、被検体５０１に励起光５０３を照射した際に、励起光５０３のエネルギーの一部を吸収することで被検体内から発生する光音響波（超音波）５０２を、測定光５０６の反射光量変化として検出する。検出された光量はアレイ型光センサ５０９において電気信号に変換される。アレイ型光センサ５０９における電気信号の分布は、ＦＰ型探触子５０５上に届く光音響波５０２の強度分布を表していることになる。これにより、ＦＰ型探触子５０５上に到達する光音響波５０２の圧力分布を得ることが出来る。
さらに、信号処理部５１０は抽出したアレイ型光センサ５０９における電気信号の分布に基づいて、被検体５０１内の光吸収体の位置や大きさ、あるいは光吸収係数あるいは光エネルギー堆積量分布などの光学特性値分布を計算する。
【００４３】
得られた電気信号の分布から光学特性値分布を得るための再構成アルゴリズムとしては
、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算、モデルベース画像再構成などを採用することができる。なおＦＰ型探触子の音響波受信膜４０３などに異物が存在するなどの理由で膜厚が著しく異常を示す領域は、あらかじめデータとして利用できないことを考慮した上で、画像再構成処理の際にデータ欠損部を補正して画像化することも可能である。
なお、信号処理部５１０は光音響波５０２の強度を表す電気信号の時間変化の分布を記憶し、それを演算手段により光学特性値分布のデータに変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
【００４４】
なお、励起光５０３として複数の波長の光を用いることもできる。この場合、それぞれの波長に関して生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質に固有の波長依存性とを比較することにより、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。生体組織を構成する物質としては、グルコース、コラーゲン、酸化・脱酸化ヘモグロビンなどがある。
また、本発明の実施形態では信号処理により得られた画像情報を表示する画像表示部５１１を備えることが望ましい。
【００４５】
上記のように示された生体情報イメージング装置を用いることで、ＦＰ型探触子５０５を用いて、短時間に高精細な光音響画像を得ることが可能となる。
【００４６】
［補償層の実施形態−１］
続いて本発明の各種の実施形態について、補償層に関わる事柄を中心に説明する。ここでは補償層を動作させながら用いる方法について述べる。
図６に本実施形態に用いる素子の作製プロセスの一例を示す。以下の順で成膜を行うことで素子を得ることができる。ここで、透明電極は受信有効エリア全面に成膜したものを用いる。図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ素子１、素子２に対応し、図６（ｃ）はそれらを合わせたセルに対応する。
【００４７】
《素子の作製》
（基板１）
１：透明電極（６０３）付きガラス基板（６０１）を用い、透明電極の裏面上にパリレン（６０２）を成膜する。
２：パリレン（６０２）上に誘電多層膜ミラー（６０４）を形成する。
３：誘電多層膜ミラー（６０４）上に保護膜（６０６）を成膜する。
４：透明電極（６０３）上に水平配向膜（６０５）を成膜し、配向処理（６０７）を行う。
【００４８】
（基板２）
１：ガラス基板上（６１０）に誘電多層膜ミラー（６１１）を成膜する。
２：誘電多層膜ミラー（６１１）上に透明電極（６１２）を成膜する。
３：透明電極（６１２）上に水平配向膜（６１３）を成膜し、配向処理（６１４）を行う。
【００４９】
（セル組み）
１：基板１（６０９）上に直径数ミクロンのスペーサビーズ（６１７）を散布する。
２：基板２（６１５）の周囲にシール材（６１６）を塗布する。
３：基板１（６０９）と基板２（６１５）の配向処理方向が反平行となるように組み合わせ、貼り合わせる。
４：熱処理を行い、シール材（６１６）を熱硬化させる。
５：液晶注入口（図示せず）から誘電異方性が正のネマティック液晶材料（６１８）を注入し、注入口を封止する。
６：上下基板の透明電極（６０３，６１２）から電極線（６１９）を取り出し、交流電圧源（６２０）と接続する。
【００５０】
本素子では、電圧の変調により液晶層の光路長を変化させることができるため、この素子を用いて反射特性を測定し、横軸を電圧、縦軸を反射率でプロットすると、図２と同様のプロファイルを得ることができる。これにより、式５におけるｎｃ（ｘ，ｙ）が電圧により変調可能となる。なお一般的なディスプレイ用途の液晶材料では、ｎｃの最小値は液晶分子単軸方向の屈折率ｎ⊥である１．５程度、最大値は液晶分子長軸方向の屈折率ｎ〃である１．６程度のものが用いられている。また、屈折率異方性Δｎの数値としては０．１程度のものが広く用いられる。材料によってはΔｎが０．３以上の数値を示すものも開発されている。本発明では適宜、至適の条件となるように層厚を調整すればよいため、いずれの液晶材料を用いても良い。
【００５１】
《補償量の調整》
上記プロセスによって得られたセルであるＦＰ素子（６２１）については、パリレン（６０２）の膜厚分布および補償層である液晶層（６１８）自身のセル厚分布によって、光干渉の際の光路長に素子面内で分布を有する。この分布を補償するために液晶に印加する電圧量の調整を行う。
またこの素子は液晶の屈折率異方性の影響により測定光の偏光軸によって値が変わる。そのため、予め偏光板を使用することにより測定光の偏光軸方向と、液晶の配向処理方向（異常光屈折率方向）を一致させておく。こうすることで液晶分子長軸方向と偏光軸とを合わせることができるため、液晶層への電圧印加により光路長を変化させることが可能となる。
【００５２】
分布量はアレイ型光センサ（５０９）の画素毎に測定することが好ましいが、複数の画素毎に行っても構わない。
所定の波長の測定光をＦＰ型探触子（５０５）に照射し、その反射光をアレイ型光センサ（５０９）で測定する。このとき交流印加電圧を変化させながらセンサに入射する光量を測定し、電圧−反射率プロファイルを測定する。これによりφｍを与える電圧値を求めることができる。
これをすべての画素において実施することでルックアップテーブル（ＬＵＴ）を作成し、記憶媒体に保存する。用いる液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のＬＵＴを作成する。
【００５３】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
上記ＬＵＴにおいて、最適電圧値が同一の値となる画素を一つのグループとして、各グループ毎に音響波のデータを取得する。この場合、φｍを与える電圧と完全には同一電圧でなく多少ずれていても音響波の測定は可能である。そのため、装置の要求精度が高くない場合には、電圧−光量曲線の谷の範囲に入るような電圧値であれば同じグループとみなして測定してもよい。
つまり、設定する電圧値を細かく制御すれば概ねφｍ条件で常に測定可能となり、常に良好な感度となるが、分割する電圧数が増加するために測定時間がかかる。逆に電圧値を粗く制御すれば感度ばらつきは大きくなるが測定時間は短時間で済む。こうしたトレード・オフ関係に配慮して、デバイスとしての至適条件に設計を行うことが好ましい。
【００５４】
図７を用いて測定シーケンスを説明する。図７（ａ）はＦＰ探触子の上面図である。図中の円形の点線はＦＰ探触子内の光路長に関する等高線である。中央部では光路長が長い、すなわち膜厚が厚く、端部では光路長が短い、すなわち膜厚が薄いという膜厚分布を有している。これの断面を簡略化した図が、図７（ｂ）から（ｅ）である。この等高線に従って、電圧印加グループを設定する。
【００５５】
第一の光音響信号励起用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第一のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図７（ａ）および（ｂ）の丸数字１で示した領域の撮像を行う。以降、丸数字１のことは（１）と記載する。丸数字２〜４についても同様に（２）〜（４）と記載する。液晶層の配向状態は（１）以外の領域でも（１）と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に（１）に相当する画素の情報のみを使用し、（２）〜（４）の情報を利用しない。
【００５６】
次いで、第二の光音響信号励起用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第二のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図７（ａ）および（ｃ）の（２）で示した領域の撮像を行う。液晶層の配向状態は（２）以外の領域でも（２）と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に（２）に相当する画素の情報のみを使用し、（１）、（３）、（４）の情報を利用しない。
【００５７】
同様に（３）と（４）の領域についても撮像を行うことによって、（１）〜（４）それぞれの領域でほぼ最適な光路長に設定し音響波を受信することが可能となる。このようにして、複数の領域ごとの液晶層の配向、言い換えると光路長の補償量に対応する複数回の音響波受信が行われる。これらをデータ解析の際に総合して素子面全体の信号を得る。
【００５８】
この例では領域を４分割したが、任意の領域数（Ｎ領域）に分割して同様の手法でデータを取得すれば良い。光音響信号励起用レーザーのパルス繰り返し周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、ひとつのデータはｆ／Ｎ（Ｈｚ）の周波数で取得できる。
アレイ型光センサが十分高速に画像取得でき、音波の振動に追随してデータ取得できるのであれば、ｆ／Ｎ（Ｈｚ）のフレーム周波数で連続的に画像取得できる。
【００５９】
一方、アレイ型光センサの画像入力が低速で音波振動に追従しない場合には、測定光をパルス光とし、ストロボ撮影の原理によりデータを取得すれば良い。図８にストロボ撮影のタイミングチャートを示す。光音響信号励起用レーザーはＮ（Ｈｚ）で照射されている。撮影の間は被検体が動かないものとすると、光音響信号も同じ強度や位相で繰り返し出力される。
そこで光音響信号励起用レーザーの出力をトリガ信号として、測定光用パルスレーザーのＦＰ探触子への照射タイミングを少しずつずらしながら照射しデータ取得することにより、異なるタイミングでの音圧を測定することができる。
【００６０】
つまり図８の最上段は光音響励起用レーザーの出力を示している。光音響励起用レーザーを照射された吸収体からは、ある所定の時間だけ遅延して光音響信号が探触子に到達する。これを図８の上から２段目に記した波形で示している。
図８の上から３段目は、測定光用パルスレーザーの波形である。つまりこの瞬間だけ光がＦＰ探触子に照射されることになるため、その反射光がアレイ型光センサに到達することになる。アレイ型光センサに到達する光強度を図８の最下段に示す。ここでは簡単のため、反射光強度は光音響波信号に比例するものとしている。このように受信した反射光の二次元分布を画像メモリに蓄積する。
【００６１】
次の測定では、測定用パルスレーザーの照射タイミングを、前回の測定と比べてトリガから少し遅らせて、反射光強度の測定を行う。光音響波信号は繰り返し同じ波形が発生しているため、測定光用パルスレーザー照射のタイミングをずらすことによって、異なるタイミングでの反射光の二次元分布を得ることができる。
【００６２】
さらにタイミングをずらして測定光を照射する過程を繰り返し、それぞれのデータをメモリに蓄積することによって１周期分の光音響波信号を取得することができる。これを整理すると、各画素におけるＦＰ探触子からの反射光強度の時間変化を得ることができる。光音響信号をストロボによって観察する際の分割数をＤとすると、データの取得はｆ／（Ｎ×Ｄ）（Ｈｚ）で得ることになる。
【００６３】
なお一ヶ所あたり信号をｍ回平均化する場合には、データの取得はｆ／（Ｎ×Ｄ×ｍ）（Ｈｚ）となる。このため、高速に繰り返し照射できる光音響信号励起用レーザーを使用することにより、実用的な速度でデータ取得することが可能となる。
【００６４】
［補償層の実施形態−２］
《素子の作製》
本実施形態では、基板１および基板２に用いる基板としてストライプ状にパターニングした透明電極付きガラス基板を用いる。それ以外は上記実施形態−１と同一のプロセスでセルを作成する。セル組の際には２枚の基板のストライプ電極を直交させて貼りあわせ、単純マトリクス構成とする。ここでは図９に示すように、基板１の電極をコモン（ＣＯＭ）電極９０１とし、基板２の電極をセグメント（ＳＥＧ）電極９０２とする。
【００６５】
本実施形態では一般にスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）液晶などで用いられる単純マトリクス液晶用ドライバを用いて駆動を行うことができる。基板１に対してＣＯＭドライバを、基板２にＳＥＧドライバを実装する。
マトリクス電極が交差する領域を液晶の画素と定義すると、液晶の画素と２Ｄ撮像素子の画素とが１対１対応することが好ましい。ただし、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。
【００６６】
《補償量の調整》
実施形態−１と同様にして、電圧−反射率プロファイルを測定する。これを用いて、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を作成し、記憶媒体に保存する。
用いる液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のＬＵＴを作成する。
【００６７】
またこのときに単純マトリクス駆動を行うための駆動条件を求める。各画素への電圧印加法は、一般的な液晶ディスプレイに用いられている単純マトリクス液晶の駆動方法で良い。この場合、式７に従って電圧のオンオフ比が決定されることが知られている。
【数７】
このためＣＯＭのライン数が増加するとパリレンの膜厚を補償するための十分なオンオフ比、すなわち光路長差を確保することが出来なくなる。
【００６８】
そのため素子の作製の際に、ＣＯＭライン数とパリレン膜厚分布に鑑み、至適な補償量を確保するために必要な液晶セル厚に設定する。つまり、本実施形態の水平配向液晶の場合、光路長の最大値はｎ（ＶＯＦＦ）・ｄｃ、最小値はｎ（ＶＯＮ）・ｄｃとなる。このため、補償可能な光路長の範囲は｛ｎ（ＶＯＮ）−ｎ（ＶＯＦＦ）｝・ｄｃとなる。ここでｎ（ＶＯＦＦ）はマトリクス駆動におけるオフ状態のときの液晶層の平均的な異常光屈折率であり、測定光の偏光方向と配向処理方向とを一致させたときに光路長に寄与する成
分である。ｎ（ＶＯＮ）も同様に、オン状態の異常光屈折率を表すものである。このため、ｄを大きく設定することで補償範囲を確保することができる。ただし大きくし過ぎると応答速度が低下する問題があるので至適条件を採用することが好ましい。
【００６９】
上述のとおり走査線数とオンオフ比とはトレード・オフの関係にある。そのためＦＰ探触子領域全面において十分なオンオフ比が確保できない場合には、実効的なＣＯＭライン数を減らし駆動デューティ比を増加させることが有効である。ひとつは、膜厚がほぼ一定のラインについては同時に駆動する方法がある。つまり事前の測定により膜厚分布が少ない領域については所定のＣＯＭライン群を同時に選択し、同一の電圧で補償しても構わない。これにより駆動の際のデューティ数を減らせるためオンオフ比を高めることが可能となる。
【００７０】
あるいは、素子全体をＮブロックに分割して、ひとつの画像を形成するためにＮフィールドを使うことで全体の画像を形成する方法もある。つまり画像取得の際にＣＯＭラインをＮブロックに分割して駆動する。各フィールドではＣＯＭライン全体のＮ分の１のライン数で駆動される。一つのフィールドごとに画像センサで光量を測定し、これをＮ回別々の場所で画像を取得することで、補償量を決定する。
【００７１】
それでもなお補償量が不足するときには、前述の場合と同様にして、測定光の波長数を１つもしくは複数増やしてもよい。
上記のように駆動方法と補償量を決定して、これをＬＵＴとして記憶媒体に記録する。
【００７２】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
上記の単純マトリクス駆動方法にて補償層を駆動し、光路長をＦＰ探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。Ｎブロックに分割した場合には分割エリア毎に単純マトリクス駆動を行い、そのエリアの音響波信号を受信し、メモリに記憶する。これを他のブロックにおいても音響信号の受信を行い、Ｎフィールド分のデータを用いてひとつの素子全体の画像を形成する。
アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態−１と同様である。
【００７３】
［補償層の実施形態−３］
《素子の作製》
本実施形態では、基板１に用いる基板として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子が配設された液晶ディスプレイ用アクティブマトリクス基板を用い、基板２に用いる基板として全面に透明電極が成膜された基板を用いる。それ以外は実施形態−１と同一のプロセスでセルを作成する。ここでは基板１の行方向にはゲート電極、列方向にはソース電極が形成されている。
【００７４】
本実施形態の液晶層の構成は、一般的なアクティブマトリクス駆動液晶素子と同様の素子構成である。ＴＦＴ素子が配設された基板には、ツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶を駆動する場合と同様に、透明電極がパターニングされた２枚の基板間でセル厚方向に電圧を印加するために、基板１の行方向にゲートドライバを、列方向にソースドライバを実装する。基板２はＴＦＴ駆動において至適条件となる電位に保たれている。
【００７５】
配向処理方向や用いる液晶材料は前述の実施形態−１および実施形態−２と同様である。
液晶層の画素とアレイ型光センサの画素とが１対１対応することが好ましいが、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。
【００７６】
《補償量の調整》
実施形態１と同様にして、最適電圧印加量を求め、各液晶画素毎にＬＵＴとして記憶媒体に記録する。
【００７７】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
本実施形態に用いたセルを、アクティブマトリクス駆動し、光路長をＦＰ探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態−１と同様である。
【００７８】
［補償層の実施形態−４］
実施形態２や３では、液晶層の画素ひとつにつき１種類の補償電圧が印加される構成を示した。しかし、液晶の画素が大きい、すなわち、パリレンの膜厚分布の変化量に対して画素が粗いために画素内で最適補償量が異なってしまう場合、ひとつの液晶画素の中を複数フィールドに分けてデータを取得しても良い。これは実施形態−２や実施形態−３のセル構成を用いて素子全体を空間分割し、実施形態−１の概念を導入して１つの画素の中を時分割で領域別にデータ取得するものであり、よりきめ細やかな補償を行うことが可能となる。
なお、これにはアレイ型光センサの画素ピッチが液晶画素のものよりも小さいことが必要である。
【００７９】
［補償層の実施形態−５］
これまでの実施形態では一般に用いられている液晶ディスプレイ用のネマティック液晶を利用可能なものであり、実際に使用する際に電圧を印加しながら用いていた。本実施形態では作製プロセスにおいて補償層の条件をつくり込み、その状態を固定して用いる方法について述べる。
【００８０】
《素子の作製》
実施形態−２または３に記載のマトリクス電極を使用する。用いる液晶材料として、高温側から、等方相−ネマティック相−スメクティックＡ相、という相系列を有する液晶材料を用いる。
素子を作製し、温度を上昇させ液晶をネマティック相とし、パリレンの膜厚を補償しうる至適条件において駆動を行い、駆動電圧を印加しながらスメクティックＡ相へと相転移させる。この相転移時にスメクティック層構造が発現する際に、基板からの液晶分子傾斜角に関して、ネマティック相における液晶分子の方向とスメクティックＡ相における分子の方向とが若干ずれる場合がある。このときバトネ（ネマティック相からスメクティック相への一次相転移の際にスメクティック層の結晶成長にともなって層放線方向に形成される略楕円状の海島構造体）が成長して層形成されることがあるので、材料の特性を鑑みて電圧印加条件を定めれば良い。
【００８１】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
電圧を印加しながら徐冷し、スメクティックＡ相へと相転移させると、層構造によって配向が安定化されるので電圧を切ってもその状態が維持される。そのため、補償電圧を印加することなく、ＦＰ探触子として使用することができる。
なお本実施形態ではスメクティック液晶相を用いたが、配向を決定した後にその配向状態が固定されるものであれば他の液晶層や固体相を用いても構わない。例えば、ディスコティック液晶、側鎖型高分子液晶、主鎖型高分子液晶などの液晶材料を用いることができる。これらは液晶相において用いてもよいが、固体相で用いる場合には、液晶相における配向状態が固体相に相転移した後にもそのまま維持されるよう、結晶化転移ではなくガラス化転移により固体相へと相転移する材料を用いることが好ましい。
【００８２】
また上で述べたように、液晶性を有さない材料であっても、屈折率分布を付与し補償することが可能である。例えば、音波受信層の膜厚分布に合わせてショ糖などの有機物の濃度勾配を付与したり、濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用い、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与したりすることにより屈折率分布を付与し補償することができる。こうした材料を用いる際には、液体状態であると対流や拡散によって濃度分布が消失するおそれがあるため、所定の間隔で隔壁を設けて拡散しないようにするか、濃度分布を付与したらすぐに寒天などで固めて屈折率分布状態を保存させた上で使用することが好ましい。
【００８３】
以上、５つの実施形態を述べたが、上記実施形態に限らず、これに派生してさまざまな材料を用いることができる。例えば液晶を用いる場合には、本実施形態１〜４では平行配向のＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）型液晶を用いた。しかし、ＶＡ
（Vertical Alignment）方式、Ｂｅｎｄ配向方式、ＨＡＮ（Hybrid Aligned Nematic）方式など、様々な液晶モードが利用可能である。
【００８４】
また、上記の補償量の調整に関して、経時変化の影響を受ける場合があると考えられる。そのため、工場出荷時だけでなく使用時にも定期的にＬＵＴを見直すことが好ましい。
また、本実施形態では音響信号受信層と補償層との積層構成としたが、ミラー光学系を組み、音響信号受信部と補償部を別の素子を用いて構成することも可能である。
このような構成の生体情報イメージング装置を用いることで、高速に高解像な光音響像を得ることが可能となる。
【００８５】
なお、医療用途に用いる際は、図５のように水槽は使用せず、被検体つまり患部に音響インピーダンスマッチングジェルを塗り、その上にＦＰ型探触子５０５を接するように配置してイメージングを行う。この際、マッチングジェルに限らず、患部とＦＰ型探触子５０５との間に音響マッチングがとれるものであれば用いることが可能である。
【００８６】
また本実施形態の中では光音響波信号の受信を中心に述べたが、弾性波であれば検知可能である。そのため、医療用超音波エコー用探触子、非破壊検査用超音波探傷子もしくは探触子などにも適用可能である。またこの素子は広帯域であるので、可聴域の音波振動を検知するためのマイクや聴診器などにも適用可能である。
【実施例１】
【００８７】
本実施例は、実施形態１に記した構成からなる。
本実施例は、本発明を用いて、被検体としてイントラリピッド１％水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径３００μｍのゴムワイヤーを配置したサンプルをイメージングするものである。サンプルは水中に配置されている。
【００８８】
ＦＰ型探触子の第１のミラーと第２のミラーには誘電多層膜を用いる。この誘電多層膜は９００−１２００ｎｍにおいて反射率が９５％以上となるように設計される。また、ＦＰ型探触子の基板はＢＫ７を用い、基板の誘電多層膜が成膜されている面と逆側の面には、９００−１２００ｎｍにおいて反射率が１％以下になるようにＡＲコート処理が施されている。ミラー間のスペーサー膜はパリレンＣを用い、膜厚は３０μｍである。さらに、探触子の保護膜としてパリレンＣを用いる。
【００８９】
補償層に用いる液晶材料として、ＭＬＣ−６６０８（メルク社製）を用いる。これは誘電異方性が負の液晶材料であるため、用いる配向膜は垂直配向膜とし、２枚の基板が互いに反平行となるように配向処理を行い、セル組を行う。セル厚は１０ミクロンとする。交流電圧源は０Ｖから１０Ｖまでを変調可能である。
ＦＰ型探触子の反射光量を測定するための測定光を出射する測定光用光源として、波長９１５ｎｍにおいて連続発振できるレーザーダイオードを用いる。
【００９０】
アレイ型光センサとして、高速ＣＣＤカメラを用いる。この画素数は１００×１００画素である。
このとき、測定光を照射し、適宜電圧を変化させながらＣＣＤに検知される光量をモニタする。電圧−反射率特性を記録し、最適状態となる電圧値をもとめ、各ＣＣＤ画素においてＬＵＴを作成する。
その後、励起光を被検体に照射し、光音響波の測定を開始する。被検体に照射する励起光源はチタンサファイヤーレーザーである。出射するパルス光の繰り返し周波数は１０Ｈｚ、パルス幅は１０ｎｓであり、波長は７９７ｎｍである。
【００９１】
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９２】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は１分以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【実施例２】
【００９３】
本実施例は、実施形態２に記したＦＰ探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例１に記したものと同じである。液晶層は１００×１００画素に分割され、単純マトリクス駆動される。
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９４】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は３０秒以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【実施例３】
【００９５】
本実施例は、実施形態３に記したＦＰ探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例１に記したものと同じである。液晶層は１００×１００画素に分割され、アクティブマトリクス駆動される。
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９６】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は２０秒以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【００９７】
以上の各実施例で説明したように、本発明の構成によれば、受信膜の成膜プロセスのばらつき等によって膜厚分布が存在している場合でも、共振に必要な光学長を二次元面内で略一定に保つことができる。そのため反射率の傾きが急峻な条件で測定することができるため、高感度特性を実現することが可能となる。
【００９８】
また光路長が均一であれば測定光に用いる波長が単一で済ませることが可能となる。もしくは補正量が不十分で測定波長を複数用いる場合であったとしても、補償層を用いない場合と比較すれば波長数を大幅に減少させることができる。これにより装置の低コスト化に寄与する。あるいは同じ価格であれば高い出力の光源を採用できるため、高感度化に寄与する。
【００９９】
また本発明は成膜ばらつきの補償だけでなく、環境温度が変化したときの特性ばらつき、素子の経時変化による特性変化、本素子を装置として作り込む際の組み付け誤差などの様々な変動要因を吸収することができるため、安定な装置を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上、本明細書中では生体を被検体とした生体情報イメージング装置に関する構成例を中心に述べた。これによると、腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などのため、生体内の光学特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化が可能となり、医療用画像診断機器として利用可能である。
さらに被検体として非生体物質を対象とした非破壊検査などに応用することは当業者にとって容易に実現することができる。
以上より、本発明は広く検査装置として用いることが可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
３０１・３０２：ミラー，３０３：ＦＰ干渉計（共振器），３０４：音響波受信層，３０９：補償層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エックス線、超音波、ＭＲＩ（核磁気共鳴法）を用いたイメージング装置が医療分野で多く使われている。一方、レーザーなどの光源から照射した光を生体などの被検体内に伝播させ、その伝播光等を検知することで、生体内の情報を得る光イメージング技術を用いた装置の研究も医療分野で積極的に進められている。
【０００３】
このような光イメージング技術の一つとして、Photoacoustic Tomography（ＰＡＴ：光音響トモグラフィー）が提案されている。ＰＡＴにおいては、光源から発生したパルス光を被検体に照射することで、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを吸収した生体組織から音響波（以降光音響波とも呼ぶ）が発生する。この光音響波を複数の個所で検出し、それらの信号を解析処理し、被検体内部の光学特性値に関連した情報を可視化することができる。これにより、被検体内の光学特性値分布、特に光エネルギー吸収密度分布を高い解像度で得ることができる。
【０００４】
音響波の検出器としては、圧電現象を用いたトランスデューサーが一般に用いられる。また容量の変化を用いたトランスデューサーが一般に供されつつある。
さらに近年、光の共振を用いた検出器が研究報告されている（非特許文献１）。これはファブリーペロー型干渉計の原理に基づいて音響波を検出する技術（以下、ＦＰ方式とも称する）であり、広帯域な受信性能を有しており、高精細な画像が得られることが特長である。
【０００５】
しかしながら、ＦＰ方式は測定時間が長いという課題がある。例えば非特許文献１では、光音響波の二次元分布データを取得する際に、光の反射率を評価するための測定光をガルバノメータによって走査している。つまり、１つのボリュームデータを取得するために、光の共振位置をラスタースキャンさせて各位置でデータ取得する。それと同時に、測定位置毎に最適な波長に設定するために、測定波長を各位置毎に変化させながらデータを取得している。そのため、数ミリメートル角の３次元像を得るために１０分以上かかることが報告されている。
【０００６】
一般に測定器は、なるべく短時間でデータ取得することが実用の点で重要である。特に測定対象物が生体などの場合、体動の影響などにより被検体の状態が逐次変化してしまうため、データ取得に時間を要すると正しい像が得られなくなってしまう。
そこで、弾性波の二次元分布を一括取得するために、二次元アレイ型センサとしてＣＣＤカメラを用いてＦＰ方式の受信素子にて取得した超音波の音圧を検出した例が報告されている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】E. Zang, J. Laufer, and P. Beard, ”Backward-mode multiwavelength photoacoustic scanner using a planar Fabry-Perot polymer film ultrasound sensor for high-resolution three-dimensional imaging of biological tissues”, Applied Optics, 47, 561-577(2008)
【非特許文献２】M. Lamont, P. Beard,”2D imaging of ultrasound fields using CCD array to map output of Fabry-Perot polymer film sensor”, Electronics Letters, 42, 3, (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記背景で述べたとおり、ＦＰ方式の音波検出装置において、ＣＣＤなどを用いて二次元面内の光検出を一括取得することは測定時間短縮のために非常に有効である。しかしながら、本発明者らが実用化を視野にいれて鋭意検討したところによると、非特許文献２には記載されていない課題が明らかとなった。
【０００９】
ＦＰ方式は音響波を受信膜にて受信し、その音圧が到達した際の受信膜の僅かな厚みの変化を光によってモニタし、音圧を検出する方法である。すなわち、成膜された受信膜の膜厚が少しでも設計値と異なると、正しく音圧を測定することが出来なくなる。一般に受信膜の成膜にはプロセスばらつきが存在するため、ひとつの基板上であっても膜厚のばらつきが少なからず存在するが、この膜厚のばらつきが製品の設計許容値以内に収まっていれば実用に供することが可能となる。
【００１０】
しかしながら、本発明者らが設計許容値を計算したところによると、ＦＰ方式の音響波検出器では数ナノメートルの膜厚分布が存在する場合であっても、受信感度に影響をおよぼすことが明らかとなった。つまり、二次元面内にて一括で正しく信号を受信しようとすると、数ナノメートル以内に膜厚分布を抑える必要がある。ところが現実的な成膜プロセスではこのような厳密な制御を行うことが極めて困難である。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、高感度特性を実現することを可能とする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下の構成を採用する。すなわち、測定光が入射される第１のミラー、前記第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、前記第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第１のミラー及び前記第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器と、を有し、前記補償層における屈折により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償されることを特徴とする音響信号受信装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、音響波検出において受信膜に膜厚分布が存在している場合でも、高感度特性を実現することを可能とする技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。
【図２】ファブリーペロー型干渉計の反射特性の一例を示す図。
【図３】本発明のファブリーペロー型干渉計の構成の一例を示す図。
【図４】本発明を適用できるファブリーペロー型探触子の構造の一例を示す図。
【図５】本発明を適用できる生体情報イメージング装置の構成の一例を示す図。
【図６】本発明の実施形態における素子の作製プロセスの一例を示す図。
【図７】本発明の実施形態における制御方法の一例を示す図。
【図８】本発明の実施形態におけるタイムチャートの一例を示す図。
【図９】本発明の実施形態における電極構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［受信素子を構成する基本形態］
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、本発明における測定光とは、ファブリーペロー（ＦＰ）型干渉計による測定に用いる光のことを指す。ＦＰ型干渉計に入射する入射光、およびＦＰ型干渉計で反射しアレイ型光センサに導かれる反射光も全て測定光に含まれる。
【００１６】
まず図１を用いて、従来報告されている光の共振を用いた音響波検出素子の説明を行う。この図に示すとおり、平行な反射板の間で光を共振させる構造をＦＰ型干渉計という。今後このＦＰ型干渉計を利用した音響波検出器をＦＰ型探触子と呼ぶことにする。
【００１７】
厚みｄを持つ高分子膜１０４が、第１のミラー１０１と第２のミラー１０２で挟まれて、共振器１０３を形成する。図示したように、第１のミラー１０１と第２のミラー１０２はキャビティとなるように対向配置されている。第１のミラー１０１から入射光１０５を干渉計に照射する。このとき、反射光１０６の光量Ｉｒは次の式（１）のようになる。
【数１】
ここでφは、以下の式（２）で表される。
【数２】
ここで、Ｉｉは入射光１０５の入射光量、Ｒは第１のミラー１０１と第２のミラー１０２の反射率、λ０は入射光１０５、および反射光１０６の波長、ｄはミラー間距離、ｎは高分子膜１０４の屈折率である。φは二枚のミラー間を往復する際の位相差に相当する。
【００１８】
反射率Ｉｒ／Ｉｉをφの関数としてグラフ化したものの一例を図２（ａ）に示す。周期的な反射光量Ｉｒの落ち込みが生じ、φ＝２ｍπ（ｍは自然数）となるときに反射率は最も低くなる。
ＦＰ型探触子に音響波１０７が入射すると、探触子の変形によりミラー間距離ｄが変化する。これによってφが変化するため反射率Ｉｒ／Ｉｉが変化する。反射光量Ｉｒの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波１０７を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波１０７の強度は大きいということになる。
【００１９】
音響波１０７が入射した際に、反射光量Ｉｒが大きく変化するためには、φの変化に対する反射率Ｉｒ／Ｉｉの変化率を大きくする必要がある。図２では、φｍにおいて、一番変化率が大きい、つまり傾きが急であるため、φｍにおいてもっとも感度が良い素子と言える。
【００２０】
反射率Ｉｒ／Ｉｉをλ０の関数としてグラフ化したものを図２（ｂ）に示す。反射率Ｉｒ／Ｉｉの変化率が最も大きいλｍに波長を合わせることが位相差をφｍに合わせることに相当し、感度が最大になる。
このように、ＦＰ型探触子では使用する測定波長が決まれば最適な膜厚が求められる。そこで例えばこの図を参照すれば、単一波長λＡの光源を用いる場合に、膜厚のばらつきとして概ね±０．０５％以内に抑える必要がある。この数値は成膜技術としてかなり高度な精度が要求されることになる。
【００２１】
ＦＰ型探触子の受信面をｘｙ平面とし、各位置での膜厚をｄ（ｘ，ｙ）とし、各位置での最適感度を表すφｍをφｍ（ｘ，ｙ）とすると、式（３）のように表現される。
【数３】
【００２２】
上記に基づいて、本発明の特徴とするところは、膜厚ｄ（ｘ，ｙ）が場所によって変化する場合でも、φｍが場所によらず一定の値を取ることである。そのために、本発明では屈折率ｎにｘｙ平面内で分布を持たせ、すべてのｘｙ座標においてφｍが略一定値となるようにするのが狙いである。そのために本発明では、共振器の間に受信層と補償層との２層を組み込んで干渉計を動作させる。つまりこの光路長は屈折率ｎと物理的な厚みであるｄの積で表せるが、このうちｎについてもｘｙ平面内で分布を持たせる。つまり、式（４）で表されるような考え方を導入して、素子全体で光路長を一定にする。
【数４】
【００２３】
図３を用いて本発明の補償型ＦＰ方式音響波検出素子の説明を行う。基本的な構成は図１のものとほぼ同様である。ＦＰ干渉計３０３は対向配置された２枚のミラー３０１と３０２で挟まれている。ＦＰ干渉計３０３において、音響波３０７を受信する層３０４の屈折率をｎｒ、補償層３０９の屈折率をｎｃ、補償層の支持基板３０８の屈折率をｎｓ、受信層３０４の膜厚をｄｒ、補償層の膜厚をｄｃ、補償層の支持基板３０８の膜厚をｄｓとする。このとき位相差は、式（５）で表される。
【数５】
実質的には音響波受信層および支持基板の屈折率はほぼ一定であるため、式５は以下のように表すことができる。
【数６】
これも図２と同様の特性を示す。ＦＰ型探触子に音響波３０７が入射すると、ミラー間距離ｄが変化する。これによってφが変化するため、反射率Ｉｒ／Ｉｉが変化する。反射光量Ｉｒの変化をフォトダイオード等で測定することにより、入射した音響波１０７を検出することができる。反射光量変化が大きいほど、入射した音響波１０７の強度は大きいということになる。
【００２４】
ここで、測定光の波長λＡが固定値だとすると、位相差をφｍに合わせるためには他のパラメータを調整する必要がある。ここでｎｒ、ｎｓは材料によって決まる物性値であり、ｄｒ、ｄｃ、ｄｓは製造プロセスによって決まるパラメータである。そこで、本発明では補償層の屈折率ｎｃを変調することによって、製造プロセスのばらつきで生じるｄの分布に起因する光路長のばらつきを補償する。
補償層の屈折率ｎｃの変調だけでは製造ばらつきを吸収しきれない場合には、測定光の波長を１つ増やし、ＦＰ探触子の領域を分けて、ある領域では波長λＡを用い、別の領域では波長λＢを用いるようにすることで広い面積を補償可能となる。ばらつきの程度によってはこの波長の数をさらに増加させても良い。波長数を増加させると構成が複雑になるが、波長を連続可変するレーザーを用いるよりコストや出力の点で優位であれば採用すれば良い。なお、補償層に用いる材料については後述する。
【００２５】
ＦＰ型探触子では測定光である入射光１０５（３０５）が当たっている位置のみの反射光量変化を測定しているため、入射光のスポット領域が受信感度のある領域となる。よって、入射光をガルバノメータ等でラスタースキャンすることにより、音響波の二次元分布データを得ることができる。ここで得られた音響波の二次元分布データを用いて信号処理を行うことで画像を得る。
本発明の場合、入射光として単一波長を用いることが可能であるため、素子全面に同時に入射光を照射し、反射光をマトリクス型の画像センサを用いることで、ラスタースキャンすることなく高速に画像取得することができる。また、例えば一般に用いられるデジタルカメラ用のＣＣＤやＣＭＯＳ撮像素子は画素ピッチが数ミクロンであるため、十分高い解像度を得ることが可能である。
【００２６】
図４に、本実施形態におけるＦＰ型探触子の断面構造を説明する基本概念図を示す。第１のミラー４０１と第２のミラー４０２の材料としては誘電多層膜や金属膜を用いることができる。ミラーの間には音響波受信膜４０３が存在する。音響波受信膜４０３は弾性波がＦＰ型探触子に入射した際のひずみが大きいものが好ましく、例えば有機高分子膜が用いられる。有機高分子膜としてはパリレン、ＳＵ８、またはポリエチレンなどを用いることが出来る。音波を受信したときに膜が変形すれば採用可能であるので、無機膜であっても構わない。
【００２７】
本発明では上記の従来の構成に加えて、ミラー間に光路長補償層４０４を設ける。この光路長補償層は前記音響波受信膜４０３の膜厚分布を補償するように配設されるものである。これら音響波受信膜４０３と光路長補償層４０４、および、補償層を支持する基板を含む層４０５など、ミラー間に存在する層を総合して共振器を形成させる。
【００２８】
光路長補償層４０４は外部からの制御容易性の観点で液晶が好適に用いられる。例えば一般に用いられているネマティック液晶材料では以下のように用いる。まず、ラビング処理などにより一軸平行配向処理された２枚のガラス基板を反平行に組み合わせて液晶セルを作製する。そして、誘電異方性が正の液晶を注入し基板間に十分高い電圧を印加すると、液晶分子が基板に略平行方向から略垂直方向へと配向変形することが知られている。このとき前記一軸配向処理された方向の屈折率（異常光屈折率）は、電圧無印加時にはほぼ液晶分子長軸方向の屈折率を示すのに対し、十分な電圧を印加し液晶分子が基板に垂直になったときにはほぼ液晶分子短軸方向の屈折率を示すことになる。これにより、本液晶素子の一軸配向処理方向に偏光を与えたときの光路長を連続的に変調させることが可能となる。
【００２９】
誘電異方性が負の液晶の場合には略垂直配向させ、反平行方向にプレチルト角を付与した基板を用いることにより、電圧印加によって前記と同様に光路長を連続的に変化させることができる。
【００３０】
その他に、例えば公知の高分子安定化ブルー相の液晶を用いれば、偏光の方向によらず屈折率を変調させることが可能である。あるいは螺旋ピッチが波長よりも短い強誘電性液晶を用いることも可能である。
屈折率を変調させる機能を有してさえいれば本発明に供することが可能となるため、液晶性を有さない別の材料を用いても構わない。例えば補償層としてショ糖水溶液を用い、音波受信層の膜厚分布に合わせてショ糖の濃度勾配を付与すれば屈折率を変調することができる。あるいはショ糖の代わりに濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用いれば、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与し、屈折率を制御することが可能となる。
こうした補償層の屈折率を外部から変調するために、電極や駆動装置が配設される（図示せず）。
【００３１】
ＦＰ型探触子全体は保護膜４０７で保護されている。保護膜４０７としてはパリレンなどの有機高分子膜やＳｉＯ２などの無機膜を薄膜形成した物が用いられる。第１のミラー４０１が成膜される基板４０６はガラスやアクリルを用いることができる。その際、基板４０６内での光の干渉による影響を減らすために、基板４０６は楔形であることが好ましい。さらに、基板４０６表面における光の反射を避けるために、ＡＲコート処理４０８を施すことが好ましい。
【００３２】
［システムを構成する基本形態］
図５に、本実施形態におけるイメージング装置の構成例を説明する図を示す。
本実施形態のイメージング装置は、被検体５０１に照射し光音響波５０２を励起する励起光５０３を出射する励起光源５０４を備える。被検体５０１が生体である場合には、生体内の腫瘍、血管など、被検体５０１の内部の光吸収体を画像化することが可能である。あるいは被検体５０１の表面の光吸収体を画像化できる。これら被検体５０１の内部もしくは表面における光吸収体が、光のエネルギーの一部を吸収することによって光音響波５０２が発生する。この光音響波５０２を検出するための、ＦＰ型探触子５０５を備える。このＦＰ型探触子は、上述の膜厚分布を補償するための補償層が設けられており、外部から制御することが可能である。これを制御するための制御部５１７を備える。
【００３３】
ＦＰ型探触子５０５には、測定光５０６を照射することによって音圧を検出させることができる。この測定光５０６を生成するための測定光用光源５０７を備える。また、測定光用光源を制御するための制御部５０８を備える。測定光用光源５０７は単一波長光源を用いてもよいし、波長を切り替えられる光源を用いてもよい。連続的に波長可変できる光源を用いても良い。波長の切り替えや光照射のオンオフを制御部５０８にて行う。
さらに、ＦＰ型探触子５０５に入射した測定光５０６の反射光量を測定し、電気信号に変換するためのアレイ型光センサ５０９を備える。以上により音響信号受信装置が構成される。
【００３４】
上記音響信号受信装置に、さらに信号処理部５１０と画像表示部５１１を構成することによってイメージング装置を構成する。つまり本実施形態のイメージング装置では、アレイ型光センサ５０９で得られた電気信号を信号処理部５１０において解析し、得られた光学特性値分布情報を表示する画像表示部５１１を備える。
【００３５】
測定光５０６はレンズ５１２で拡大され、ＦＰ型探触子５０５において反射したのちに、アレイ型光センサ５０９に入射する。これにより、ＦＰ型探触子５０５上の反射強度分布を得ることが出来る。光学系としてミラー５１３やハーフミラー５１４を用いる。光学系は、ＦＰ型探触子５０５における反射率を測定できるような構成であればよく、ハーフミラー５１４の代わりに偏光ミラーと波長板を用いる構成や、光ファイバーを用いる構成を採ることができる。この光学系により、ＦＰ型探触子５０５上の位置と、アレイ型光セ
ンサ５０９上のピクセルが対応づけられる。
【００３６】
アレイ型光センサ５０９としては二次元アレイ型、一次元アレイ型の光センサを用いる。例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを用いることができる。ただし、ＦＰ型探触子５０５に光音響波５０２が入射した際の、測定光５０６の反射光量を測定し電気信号に変換できるものであれば、これ以外のアレイ型光センサも使用できる。
【００３７】
ＦＰ型探触子５０５のミラー間の距離は位置によりばらつきがあるため、それぞれの位置（アレイ型光センサ５０９上の対応づけされた各々のピクセル）において補償層を用いて屈折率を調整し、素子面内において光路長を一定にする。
【００３８】
被検体５０１へ照射する励起光５０３は、被検体５０１を構成する成分のうち特定の成分に吸収される特性の波長の光を用いる。励起光５０３はパルス光を用いることが出来る。パルス光は、数ピコから数百ナノ秒オーダーのものであり、被検体が生体の場合には数ナノから数十ナノ秒のパルス光を採用することが好ましい。励起光５０３を発生する光源５０４としてはレーザーが好ましいが、レーザーの代わりに発光ダイオードやフラッシュランプなどを用いることも可能である。
【００３９】
光音響波励起用レーザーとしては、固体レーザー、ガスレーザー、色素レーザー、半導体レーザーなど様々なレーザーを使用することができる。発振する波長の変換可能な色素やＯＰＯ（Optical Parametric Oscillators）やＴｉＳ（Titanium Sapphire）を用いれ
ば、光学特性値分布の波長による違いを測定することも可能になる。
使用する光源の波長に関しては、生体組織による吸収が少ない７００ｎｍから１１００ｎｍの領域が好ましい。生体以外の被検体、もしくは生体において観測領域を表面近傍とする場合には、上記の波長領域よりも範囲の広い、例えば４００ｎｍから１６００ｎｍの波長領域、さらには紫外線領域、テラヘルツ波、マイクロ波、ラジオ波領域の使用も可能である。
【００４０】
図５では被検体に対して、ＦＰ型探触子５０５の影にならない方向から励起光５０３を照射している。しかし、ＦＰ型探触子が励起光５０３の波長を透過する構成にしておけば、ＦＰ型探触子を通して励起光５０３を照射することも可能である。
【００４１】
被検体５０１から生じる光音響波５０２を効率的にＦＰ型探触子５０５で検出するために、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間には音響結合媒体を使うことが望ましい。図５では音響結合媒体として水を用いて、水槽５１５中に被検体５０１が配置している図を示しているが、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間には音響結合媒体が介していれば良い。例えば、被検体５０１とＦＰ型探触子５０５との間に、超音波診断用のマッチングジェルを塗る構成にしてもよい。
【００４２】
ＦＰ型探触子５０５は、被検体５０１に励起光５０３を照射した際に、励起光５０３のエネルギーの一部を吸収することで被検体内から発生する光音響波（超音波）５０２を、測定光５０６の反射光量変化として検出する。検出された光量はアレイ型光センサ５０９において電気信号に変換される。アレイ型光センサ５０９における電気信号の分布は、ＦＰ型探触子５０５上に届く光音響波５０２の強度分布を表していることになる。これにより、ＦＰ型探触子５０５上に到達する光音響波５０２の圧力分布を得ることが出来る。
さらに、信号処理部５１０は抽出したアレイ型光センサ５０９における電気信号の分布に基づいて、被検体５０１内の光吸収体の位置や大きさ、あるいは光吸収係数あるいは光エネルギー堆積量分布などの光学特性値分布を計算する。
【００４３】
得られた電気信号の分布から光学特性値分布を得るための再構成アルゴリズムとしては
、ユニバーサルバックプロジェクションや整相加算、モデルベース画像再構成などを採用することができる。なおＦＰ型探触子の音響波受信膜４０３などに異物が存在するなどの理由で膜厚が著しく異常を示す領域は、あらかじめデータとして利用できないことを考慮した上で、画像再構成処理の際にデータ欠損部を補正して画像化することも可能である。
なお、信号処理部５１０は光音響波５０２の強度を表す電気信号の時間変化の分布を記憶し、それを演算手段により光学特性値分布のデータに変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
【００４４】
なお、励起光５０３として複数の波長の光を用いることもできる。この場合、それぞれの波長に関して生体内の光学係数を算出し、それらの値と生体組織を構成する物質に固有の波長依存性とを比較することにより、生体を構成する物質の濃度分布を画像化することも可能である。生体組織を構成する物質としては、グルコース、コラーゲン、酸化・脱酸化ヘモグロビンなどがある。
また、本発明の実施形態では信号処理により得られた画像情報を表示する画像表示部５１１を備えることが望ましい。
【００４５】
上記のように示された生体情報イメージング装置を用いることで、ＦＰ型探触子５０５を用いて、短時間に高精細な光音響画像を得ることが可能となる。
【００４６】
［補償層の実施形態−１］
続いて本発明の各種の実施形態について、補償層に関わる事柄を中心に説明する。ここでは補償層を動作させながら用いる方法について述べる。
図６に本実施形態に用いる素子の作製プロセスの一例を示す。以下の順で成膜を行うことで素子を得ることができる。ここで、透明電極は受信有効エリア全面に成膜したものを用いる。図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ素子１、素子２に対応し、図６（ｃ）はそれらを合わせたセルに対応する。
【００４７】
《素子の作製》
（基板１）
１：透明電極（６０３）付きガラス基板（６０１）を用い、透明電極の裏面上にパリレン（６０２）を成膜する。
２：パリレン（６０２）上に誘電多層膜ミラー（６０４）を形成する。
３：誘電多層膜ミラー（６０４）上に保護膜（６０６）を成膜する。
４：透明電極（６０３）上に水平配向膜（６０５）を成膜し、配向処理（６０７）を行う。
【００４８】
（基板２）
１：ガラス基板上（６１０）に誘電多層膜ミラー（６１１）を成膜する。
２：誘電多層膜ミラー（６１１）上に透明電極（６１２）を成膜する。
３：透明電極（６１２）上に水平配向膜（６１３）を成膜し、配向処理（６１４）を行う。
【００４９】
（セル組み）
１：基板１（６０９）上に直径数ミクロンのスペーサビーズ（６１７）を散布する。
２：基板２（６１５）の周囲にシール材（６１６）を塗布する。
３：基板１（６０９）と基板２（６１５）の配向処理方向が反平行となるように組み合わせ、貼り合わせる。
４：熱処理を行い、シール材（６１６）を熱硬化させる。
５：液晶注入口（図示せず）から誘電異方性が正のネマティック液晶材料（６１８）を注入し、注入口を封止する。
６：上下基板の透明電極（６０３，６１２）から電極線（６１９）を取り出し、交流電圧源（６２０）と接続する。
【００５０】
本素子では、電圧の変調により液晶層の光路長を変化させることができるため、この素子を用いて反射特性を測定し、横軸を電圧、縦軸を反射率でプロットすると、図２と同様のプロファイルを得ることができる。これにより、式５におけるｎｃ（ｘ，ｙ）が電圧により変調可能となる。なお一般的なディスプレイ用途の液晶材料では、ｎｃの最小値は液晶分子単軸方向の屈折率ｎ⊥である１．５程度、最大値は液晶分子長軸方向の屈折率ｎ〃である１．６程度のものが用いられている。また、屈折率異方性Δｎの数値としては０．１程度のものが広く用いられる。材料によってはΔｎが０．３以上の数値を示すものも開発されている。本発明では適宜、至適の条件となるように層厚を調整すればよいため、いずれの液晶材料を用いても良い。
【００５１】
《補償量の調整》
上記プロセスによって得られたセルであるＦＰ素子（６２１）については、パリレン（６０２）の膜厚分布および補償層である液晶層（６１８）自身のセル厚分布によって、光干渉の際の光路長に素子面内で分布を有する。この分布を補償するために液晶に印加する電圧量の調整を行う。
またこの素子は液晶の屈折率異方性の影響により測定光の偏光軸によって値が変わる。そのため、予め偏光板を使用することにより測定光の偏光軸方向と、液晶の配向処理方向（異常光屈折率方向）を一致させておく。こうすることで液晶分子長軸方向と偏光軸とを合わせることができるため、液晶層への電圧印加により光路長を変化させることが可能となる。
【００５２】
分布量はアレイ型光センサ（５０９）の画素毎に測定することが好ましいが、複数の画素毎に行っても構わない。
所定の波長の測定光をＦＰ型探触子（５０５）に照射し、その反射光をアレイ型光センサ（５０９）で測定する。このとき交流印加電圧を変化させながらセンサに入射する光量を測定し、電圧−反射率プロファイルを測定する。これによりφｍを与える電圧値を求めることができる。
これをすべての画素において実施することでルックアップテーブル（ＬＵＴ）を作成し、記憶媒体に保存する。用いる液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のＬＵＴを作成する。
【００５３】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
上記ＬＵＴにおいて、最適電圧値が同一の値となる画素を一つのグループとして、各グループ毎に音響波のデータを取得する。この場合、φｍを与える電圧と完全には同一電圧でなく多少ずれていても音響波の測定は可能である。そのため、装置の要求精度が高くない場合には、電圧−光量曲線の谷の範囲に入るような電圧値であれば同じグループとみなして測定してもよい。
つまり、設定する電圧値を細かく制御すれば概ねφｍ条件で常に測定可能となり、常に良好な感度となるが、分割する電圧数が増加するために測定時間がかかる。逆に電圧値を粗く制御すれば感度ばらつきは大きくなるが測定時間は短時間で済む。こうしたトレード・オフ関係に配慮して、デバイスとしての至適条件に設計を行うことが好ましい。
【００５４】
図７を用いて測定シーケンスを説明する。図７（ａ）はＦＰ探触子の上面図である。図中の円形の点線はＦＰ探触子内の光路長に関する等高線である。中央部では光路長が長い、すなわち膜厚が厚く、端部では光路長が短い、すなわち膜厚が薄いという膜厚分布を有している。これの断面を簡略化した図が、図７（ｂ）から（ｅ）である。この等高線に従って、電圧印加グループを設定する。
【００５５】
第一の光音響信号励起用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第一のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図７（ａ）および（ｂ）の丸数字１で示した領域の撮像を行う。以降、丸数字１のことは（１）と記載する。丸数字２〜４についても同様に（２）〜（４）と記載する。液晶層の配向状態は（１）以外の領域でも（１）と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に（１）に相当する画素の情報のみを使用し、（２）〜（４）の情報を利用しない。
【００５６】
次いで、第二の光音響信号励起用レーザーを照射し、そこで得られた光音響波を第二のグループに相当する画素にて撮像する。すなわち、図７（ａ）および（ｃ）の（２）で示した領域の撮像を行う。液晶層の配向状態は（２）以外の領域でも（２）と同様の配向状態を示しているが、画像処理には使用しないので無視して良い。つまり素子上面からアレイ型光センサで光強度を読み取り、画像処理する際に（２）に相当する画素の情報のみを使用し、（１）、（３）、（４）の情報を利用しない。
【００５７】
同様に（３）と（４）の領域についても撮像を行うことによって、（１）〜（４）それぞれの領域でほぼ最適な光路長に設定し音響波を受信することが可能となる。このようにして、複数の領域ごとの液晶層の配向、言い換えると光路長の補償量に対応する複数回の音響波受信が行われる。これらをデータ解析の際に総合して素子面全体の信号を得る。
【００５８】
この例では領域を４分割したが、任意の領域数（Ｎ領域）に分割して同様の手法でデータを取得すれば良い。光音響信号励起用レーザーのパルス繰り返し周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、ひとつのデータはｆ／Ｎ（Ｈｚ）の周波数で取得できる。
アレイ型光センサが十分高速に画像取得でき、音波の振動に追随してデータ取得できるのであれば、ｆ／Ｎ（Ｈｚ）のフレーム周波数で連続的に画像取得できる。
【００５９】
一方、アレイ型光センサの画像入力が低速で音波振動に追従しない場合には、測定光をパルス光とし、ストロボ撮影の原理によりデータを取得すれば良い。図８にストロボ撮影のタイミングチャートを示す。光音響信号励起用レーザーはＮ（Ｈｚ）で照射されている。撮影の間は被検体が動かないものとすると、光音響信号も同じ強度や位相で繰り返し出力される。
そこで光音響信号励起用レーザーの出力をトリガ信号として、測定光用パルスレーザーのＦＰ探触子への照射タイミングを少しずつずらしながら照射しデータ取得することにより、異なるタイミングでの音圧を測定することができる。
【００６０】
つまり図８の最上段は光音響励起用レーザーの出力を示している。光音響励起用レーザーを照射された吸収体からは、ある所定の時間だけ遅延して光音響信号が探触子に到達する。これを図８の上から２段目に記した波形で示している。
図８の上から３段目は、測定光用パルスレーザーの波形である。つまりこの瞬間だけ光がＦＰ探触子に照射されることになるため、その反射光がアレイ型光センサに到達することになる。アレイ型光センサに到達する光強度を図８の最下段に示す。ここでは簡単のため、反射光強度は光音響波信号に比例するものとしている。このように受信した反射光の二次元分布を画像メモリに蓄積する。
【００６１】
次の測定では、測定用パルスレーザーの照射タイミングを、前回の測定と比べてトリガから少し遅らせて、反射光強度の測定を行う。光音響波信号は繰り返し同じ波形が発生しているため、測定光用パルスレーザー照射のタイミングをずらすことによって、異なるタイミングでの反射光の二次元分布を得ることができる。
【００６２】
さらにタイミングをずらして測定光を照射する過程を繰り返し、それぞれのデータをメモリに蓄積することによって１周期分の光音響波信号を取得することができる。これを整理すると、各画素におけるＦＰ探触子からの反射光強度の時間変化を得ることができる。光音響信号をストロボによって観察する際の分割数をＤとすると、データの取得はｆ／（Ｎ×Ｄ）（Ｈｚ）で得ることになる。
【００６３】
なお一ヶ所あたり信号をｍ回平均化する場合には、データの取得はｆ／（Ｎ×Ｄ×ｍ）（Ｈｚ）となる。このため、高速に繰り返し照射できる光音響信号励起用レーザーを使用することにより、実用的な速度でデータ取得することが可能となる。
【００６４】
［補償層の実施形態−２］
《素子の作製》
本実施形態では、基板１および基板２に用いる基板としてストライプ状にパターニングした透明電極付きガラス基板を用いる。それ以外は上記実施形態−１と同一のプロセスでセルを作成する。セル組の際には２枚の基板のストライプ電極を直交させて貼りあわせ、単純マトリクス構成とする。ここでは図９に示すように、基板１の電極をコモン（ＣＯＭ）電極９０１とし、基板２の電極をセグメント（ＳＥＧ）電極９０２とする。
【００６５】
本実施形態では一般にスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）液晶などで用いられる単純マトリクス液晶用ドライバを用いて駆動を行うことができる。基板１に対してＣＯＭドライバを、基板２にＳＥＧドライバを実装する。
マトリクス電極が交差する領域を液晶の画素と定義すると、液晶の画素と２Ｄ撮像素子の画素とが１対１対応することが好ましい。ただし、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。
【００６６】
《補償量の調整》
実施形態−１と同様にして、電圧−反射率プロファイルを測定する。これを用いて、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を作成し、記憶媒体に保存する。
用いる液晶の特性が温度によって変化しやすいものである場合、温度を変化させて同様のＬＵＴを作成する。
【００６７】
またこのときに単純マトリクス駆動を行うための駆動条件を求める。各画素への電圧印加法は、一般的な液晶ディスプレイに用いられている単純マトリクス液晶の駆動方法で良い。この場合、式７に従って電圧のオンオフ比が決定されることが知られている。
【数７】
このためＣＯＭのライン数が増加するとパリレンの膜厚を補償するための十分なオンオフ比、すなわち光路長差を確保することが出来なくなる。
【００６８】
そのため素子の作製の際に、ＣＯＭライン数とパリレン膜厚分布に鑑み、至適な補償量を確保するために必要な液晶セル厚に設定する。つまり、本実施形態の水平配向液晶の場合、光路長の最大値はｎ（ＶＯＦＦ）・ｄｃ、最小値はｎ（ＶＯＮ）・ｄｃとなる。このため、補償可能な光路長の範囲は｛ｎ（ＶＯＮ）−ｎ（ＶＯＦＦ）｝・ｄｃとなる。ここでｎ（ＶＯＦＦ）はマトリクス駆動におけるオフ状態のときの液晶層の平均的な異常光屈折率であり、測定光の偏光方向と配向処理方向とを一致させたときに光路長に寄与する成
分である。ｎ（ＶＯＮ）も同様に、オン状態の異常光屈折率を表すものである。このため、ｄを大きく設定することで補償範囲を確保することができる。ただし大きくし過ぎると応答速度が低下する問題があるので至適条件を採用することが好ましい。
【００６９】
上述のとおり走査線数とオンオフ比とはトレード・オフの関係にある。そのためＦＰ探触子領域全面において十分なオンオフ比が確保できない場合には、実効的なＣＯＭライン数を減らし駆動デューティ比を増加させることが有効である。ひとつは、膜厚がほぼ一定のラインについては同時に駆動する方法がある。つまり事前の測定により膜厚分布が少ない領域については所定のＣＯＭライン群を同時に選択し、同一の電圧で補償しても構わない。これにより駆動の際のデューティ数を減らせるためオンオフ比を高めることが可能となる。
【００７０】
あるいは、素子全体をＮブロックに分割して、ひとつの画像を形成するためにＮフィールドを使うことで全体の画像を形成する方法もある。つまり画像取得の際にＣＯＭラインをＮブロックに分割して駆動する。各フィールドではＣＯＭライン全体のＮ分の１のライン数で駆動される。一つのフィールドごとに画像センサで光量を測定し、これをＮ回別々の場所で画像を取得することで、補償量を決定する。
【００７１】
それでもなお補償量が不足するときには、前述の場合と同様にして、測定光の波長数を１つもしくは複数増やしてもよい。
上記のように駆動方法と補償量を決定して、これをＬＵＴとして記憶媒体に記録する。
【００７２】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
上記の単純マトリクス駆動方法にて補償層を駆動し、光路長をＦＰ探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。Ｎブロックに分割した場合には分割エリア毎に単純マトリクス駆動を行い、そのエリアの音響波信号を受信し、メモリに記憶する。これを他のブロックにおいても音響信号の受信を行い、Ｎフィールド分のデータを用いてひとつの素子全体の画像を形成する。
アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態−１と同様である。
【００７３】
［補償層の実施形態−３］
《素子の作製》
本実施形態では、基板１に用いる基板として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子が配設された液晶ディスプレイ用アクティブマトリクス基板を用い、基板２に用いる基板として全面に透明電極が成膜された基板を用いる。それ以外は実施形態−１と同一のプロセスでセルを作成する。ここでは基板１の行方向にはゲート電極、列方向にはソース電極が形成されている。
【００７４】
本実施形態の液晶層の構成は、一般的なアクティブマトリクス駆動液晶素子と同様の素子構成である。ＴＦＴ素子が配設された基板には、ツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶を駆動する場合と同様に、透明電極がパターニングされた２枚の基板間でセル厚方向に電圧を印加するために、基板１の行方向にゲートドライバを、列方向にソースドライバを実装する。基板２はＴＦＴ駆動において至適条件となる電位に保たれている。
【００７５】
配向処理方向や用いる液晶材料は前述の実施形態−１および実施形態−２と同様である。
液晶層の画素とアレイ型光センサの画素とが１対１対応することが好ましいが、液晶層は膜厚分布を補償するのが目的であるので、膜厚分布が緩やかに変化する場合には撮像素子の画素より粗くても構わない。
【００７６】
《補償量の調整》
実施形態１と同様にして、最適電圧印加量を求め、各液晶画素毎にＬＵＴとして記憶媒体に記録する。
【００７７】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
本実施形態に用いたセルを、アクティブマトリクス駆動し、光路長をＦＰ探触子面内で均一に保った上で、音響波を検出することができる。アレイ型光センサの画像取得が低速である場合にストロボによって観察可能であることは実施形態−１と同様である。
【００７８】
［補償層の実施形態−４］
実施形態２や３では、液晶層の画素ひとつにつき１種類の補償電圧が印加される構成を示した。しかし、液晶の画素が大きい、すなわち、パリレンの膜厚分布の変化量に対して画素が粗いために画素内で最適補償量が異なってしまう場合、ひとつの液晶画素の中を複数フィールドに分けてデータを取得しても良い。これは実施形態−２や実施形態−３のセル構成を用いて素子全体を空間分割し、実施形態−１の概念を導入して１つの画素の中を時分割で領域別にデータ取得するものであり、よりきめ細やかな補償を行うことが可能となる。
なお、これにはアレイ型光センサの画素ピッチが液晶画素のものよりも小さいことが必要である。
【００７９】
［補償層の実施形態−５］
これまでの実施形態では一般に用いられている液晶ディスプレイ用のネマティック液晶を利用可能なものであり、実際に使用する際に電圧を印加しながら用いていた。本実施形態では作製プロセスにおいて補償層の条件をつくり込み、その状態を固定して用いる方法について述べる。
【００８０】
《素子の作製》
実施形態−２または３に記載のマトリクス電極を使用する。用いる液晶材料として、高温側から、等方相−ネマティック相−スメクティックＡ相、という相系列を有する液晶材料を用いる。
素子を作製し、温度を上昇させ液晶をネマティック相とし、パリレンの膜厚を補償しうる至適条件において駆動を行い、駆動電圧を印加しながらスメクティックＡ相へと相転移させる。この相転移時にスメクティック層構造が発現する際に、基板からの液晶分子傾斜角に関して、ネマティック相における液晶分子の方向とスメクティックＡ相における分子の方向とが若干ずれる場合がある。このときバトネ（ネマティック相からスメクティック相への一次相転移の際にスメクティック層の結晶成長にともなって層放線方向に形成される略楕円状の海島構造体）が成長して層形成されることがあるので、材料の特性を鑑みて電圧印加条件を定めれば良い。
【００８１】
《補償型ＦＰ探触子の利用》
電圧を印加しながら徐冷し、スメクティックＡ相へと相転移させると、層構造によって配向が安定化されるので電圧を切ってもその状態が維持される。そのため、補償電圧を印加することなく、ＦＰ探触子として使用することができる。
なお本実施形態ではスメクティック液晶相を用いたが、配向を決定した後にその配向状態が固定されるものであれば他の液晶層や固体相を用いても構わない。例えば、ディスコティック液晶、側鎖型高分子液晶、主鎖型高分子液晶などの液晶材料を用いることができる。これらは液晶相において用いてもよいが、固体相で用いる場合には、液晶相における配向状態が固体相に相転移した後にもそのまま維持されるよう、結晶化転移ではなくガラス化転移により固体相へと相転移する材料を用いることが好ましい。
【００８２】
また上で述べたように、液晶性を有さない材料であっても、屈折率分布を付与し補償することが可能である。例えば、音波受信層の膜厚分布に合わせてショ糖などの有機物の濃度勾配を付与したり、濃度によって屈折率が異なる荷電物質を用い、電気泳動を用いて外部から濃度勾配を付与したりすることにより屈折率分布を付与し補償することができる。こうした材料を用いる際には、液体状態であると対流や拡散によって濃度分布が消失するおそれがあるため、所定の間隔で隔壁を設けて拡散しないようにするか、濃度分布を付与したらすぐに寒天などで固めて屈折率分布状態を保存させた上で使用することが好ましい。
【００８３】
以上、５つの実施形態を述べたが、上記実施形態に限らず、これに派生してさまざまな材料を用いることができる。例えば液晶を用いる場合には、本実施形態１〜４では平行配向のＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）型液晶を用いた。しかし、ＶＡ
（Vertical Alignment）方式、Ｂｅｎｄ配向方式、ＨＡＮ（Hybrid Aligned Nematic）方式など、様々な液晶モードが利用可能である。
【００８４】
また、上記の補償量の調整に関して、経時変化の影響を受ける場合があると考えられる。そのため、工場出荷時だけでなく使用時にも定期的にＬＵＴを見直すことが好ましい。
また、本実施形態では音響信号受信層と補償層との積層構成としたが、ミラー光学系を組み、音響信号受信部と補償部を別の素子を用いて構成することも可能である。
このような構成の生体情報イメージング装置を用いることで、高速に高解像な光音響像を得ることが可能となる。
【００８５】
なお、医療用途に用いる際は、図５のように水槽は使用せず、被検体つまり患部に音響インピーダンスマッチングジェルを塗り、その上にＦＰ型探触子５０５を接するように配置してイメージングを行う。この際、マッチングジェルに限らず、患部とＦＰ型探触子５０５との間に音響マッチングがとれるものであれば用いることが可能である。
【００８６】
また本実施形態の中では光音響波信号の受信を中心に述べたが、弾性波であれば検知可能である。そのため、医療用超音波エコー用探触子、非破壊検査用超音波探傷子もしくは探触子などにも適用可能である。またこの素子は広帯域であるので、可聴域の音波振動を検知するためのマイクや聴診器などにも適用可能である。
【実施例１】
【００８７】
本実施例は、実施形態１に記した構成からなる。
本実施例は、本発明を用いて、被検体としてイントラリピッド１％水溶液を寒天により固め、その中に光を吸収する直径３００μｍのゴムワイヤーを配置したサンプルをイメージングするものである。サンプルは水中に配置されている。
【００８８】
ＦＰ型探触子の第１のミラーと第２のミラーには誘電多層膜を用いる。この誘電多層膜は９００−１２００ｎｍにおいて反射率が９５％以上となるように設計される。また、ＦＰ型探触子の基板はＢＫ７を用い、基板の誘電多層膜が成膜されている面と逆側の面には、９００−１２００ｎｍにおいて反射率が１％以下になるようにＡＲコート処理が施されている。ミラー間のスペーサー膜はパリレンＣを用い、膜厚は３０μｍである。さらに、探触子の保護膜としてパリレンＣを用いる。
【００８９】
補償層に用いる液晶材料として、ＭＬＣ−６６０８（メルク社製）を用いる。これは誘電異方性が負の液晶材料であるため、用いる配向膜は垂直配向膜とし、２枚の基板が互いに反平行となるように配向処理を行い、セル組を行う。セル厚は１０ミクロンとする。交流電圧源は０Ｖから１０Ｖまでを変調可能である。
ＦＰ型探触子の反射光量を測定するための測定光を出射する測定光用光源として、波長９１５ｎｍにおいて連続発振できるレーザーダイオードを用いる。
【００９０】
アレイ型光センサとして、高速ＣＣＤカメラを用いる。この画素数は１００×１００画素である。
このとき、測定光を照射し、適宜電圧を変化させながらＣＣＤに検知される光量をモニタする。電圧−反射率特性を記録し、最適状態となる電圧値をもとめ、各ＣＣＤ画素においてＬＵＴを作成する。
その後、励起光を被検体に照射し、光音響波の測定を開始する。被検体に照射する励起光源はチタンサファイヤーレーザーである。出射するパルス光の繰り返し周波数は１０Ｈｚ、パルス幅は１０ｎｓであり、波長は７９７ｎｍである。
【００９１】
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９２】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は１分以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【実施例２】
【００９３】
本実施例は、実施形態２に記したＦＰ探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例１に記したものと同じである。液晶層は１００×１００画素に分割され、単純マトリクス駆動される。
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９４】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は３０秒以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【実施例３】
【００９５】
本実施例は、実施形態３に記したＦＰ探触子構成からなる。
本実施例に用いる装置構成や被検体は実施例１に記したものと同じである。液晶層は１００×１００画素に分割され、アクティブマトリクス駆動される。
本実施例で作製されるパリレンの膜厚には１００ｎｍ程度の分布が発生している。そのため、素子上で領域を１０ブロックに分けてデータ取りがなされる。
測定後得られる光音響信号の分布を用いて、ユニバーサルバックプロジェクションアルゴリズムにより、画像再構成を行う。再構成の際、ボクセルピッチは０．５ｍｍとする。これにより、直径２ｃｍの撮像領域において、光拡散媒体であるイントラリピッド１％寒天中のゴムワイヤーがイメージングされる。
【００９６】
本実施例では上記実施形態に記載の手法にしたがって、至適条件にて駆動できるので、良好な感度で音響信号のデータ取得が可能である。
また本実施例の撮影時間は２０秒以内であり、従来報告されているラスタースキャン方式よりも高速であることがわかる。
【００９７】
以上の各実施例で説明したように、本発明の構成によれば、受信膜の成膜プロセスのばらつき等によって膜厚分布が存在している場合でも、共振に必要な光学長を二次元面内で略一定に保つことができる。そのため反射率の傾きが急峻な条件で測定することができるため、高感度特性を実現することが可能となる。
【００９８】
また光路長が均一であれば測定光に用いる波長が単一で済ませることが可能となる。もしくは補正量が不十分で測定波長を複数用いる場合であったとしても、補償層を用いない場合と比較すれば波長数を大幅に減少させることができる。これにより装置の低コスト化に寄与する。あるいは同じ価格であれば高い出力の光源を採用できるため、高感度化に寄与する。
【００９９】
また本発明は成膜ばらつきの補償だけでなく、環境温度が変化したときの特性ばらつき、素子の経時変化による特性変化、本素子を装置として作り込む際の組み付け誤差などの様々な変動要因を吸収することができるため、安定な装置を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上、本明細書中では生体を被検体とした生体情報イメージング装置に関する構成例を中心に述べた。これによると、腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などのため、生体内の光学特性値分布及び、それらの情報から得られる生体組織を構成する物質の濃度分布の画像化が可能となり、医療用画像診断機器として利用可能である。
さらに被検体として非生体物質を対象とした非破壊検査などに応用することは当業者にとって容易に実現することができる。
以上より、本発明は広く検査装置として用いることが可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
３０１・３０２：ミラー，３０３：ＦＰ干渉計（共振器），３０４：音響波受信層，３０９：補償層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光が入射される第１のミラー、前記第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、前記第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、
音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第１のミラー及び前記第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器と、
を有し、
前記補償層における屈折により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償される
ことを特徴とする音響信号受信装置。
【請求項２】
前記補償層を制御する制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきを、前記補償層の屈折率を変化させることにより補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号受信装置。
【請求項３】
前記検出器は、前記測定光の波長、前記音響波受信層および前記補償層の膜厚および屈折率、ならびに、前記測定光の反射光量の変化を用いて、前記光路長の変化を検出するものであり、
前記制御部は、前記音響波受信層の膜厚分布に応じて前記補償層の屈折率を変化させることにより、前記光路長のばらつきを補償するものである
ことを特徴とする請求項２に記載の音響信号受信装置。
【請求項４】
前記補償層は、前記音響波受信層と積層構成である
ことを特徴とする請求項２または３に記載の音響信号受信装置。
【請求項５】
前記検出器により検出された光路長の変化に基づいて前記被検体からの音響波の強度を求める信号処理部をさらに有する
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の音響信号受信装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記音響波受信層をその膜厚分布に応じて複数の領域に分割し、同一の領域の中では前記光路長が略一定となるように、前記補償層の屈折率を領域ごとに決定するものである
ことを特徴とする請求項５に記載の音響信号受信装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記補償層の屈折率が、前記複数の領域ごとに決定された複数の屈折率のそれぞれとなるように順に制御を行い、
前記検出器は、前記制御部により制御されたそれぞれの屈折率において測定を行い、
前記信号処理部は、前記被検体からの音響波の強度を求める際に、前記複数の領域のそれぞれにおける光路長の変化として、前記補償層が当該領域に対応する屈折率であるときに前記検出器により測定された値を用いる
ことを特徴とする請求項６に記載の音響信号受信装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記補償層の屈折率が、前記音響波受信層の複数の領域に対応する領域ごとに異なる屈折率となるように制御を行うことにより、前記光路長のばらつきを補償する
ことを特徴とする請求項６に記載の音響信号受信装置。
【請求項９】
前記補償層は、単純マトリクス駆動またはアクティブマトリクス駆動される液晶であり
、
前記制御部は、前記補償層の各画素への電圧印加を制御するものである
ことを特徴とする請求項８に記載の音響信号受信装置。
【請求項１０】
前記補償層は、前記音響波受信層の膜厚分布に応じた屈折率の分布を有することにより、前記膜厚分布による前記光路長のばらつきを補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号受信装置。
【請求項１１】
前記補償層は、液晶分子の配向状態が固定される液晶材料から形成される
ことを特徴とする請求項１０に記載の音響信号受信装置。
【請求項１２】
前記補償層は、濃度勾配に応じて屈折率が異なる有機物または荷電物質から形成されることを特徴とする請求項１０に記載の音響信号受信装置。
【請求項１３】
前記被検体からの音響波とは、励起光が被検体に出射された際に発生する光音響波である
ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の音響信号受信装置。
【請求項１４】
トリガとなる前記励起光は所定の周波数で前記被検体に出射されるものであり、
前記検出器は、前記励起光が出射される周期の中で、前記測定光をトリガから所定のタイミングずつ遅らせながら前記検出器に入射させることにより前記光音響波の測定を行うことを特徴とする請求項１３に記載の音響信号受信装置。
【請求項１】
測定光が入射される第１のミラー、前記第１のミラーと対向配置されており被検体からの音響波が入射される第２のミラー、前記第１のミラーおよび第２のミラーに挟まれて設けられた音響波受信層、および、補償層を含む共振器と、
音響波の入射による前記音響波受信層の変形に応じた前記第１のミラー及び前記第２のミラーの間の光路長の変化を検出する検出器と、
を有し、
前記補償層における屈折により、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきが補償される
ことを特徴とする音響信号受信装置。
【請求項２】
前記補償層を制御する制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記音響波受信層の膜厚分布による前記光路長のばらつきを、前記補償層の屈折率を変化させることにより補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号受信装置。
【請求項３】
前記検出器は、前記測定光の波長、前記音響波受信層および前記補償層の膜厚および屈折率、ならびに、前記測定光の反射光量の変化を用いて、前記光路長の変化を検出するものであり、
前記制御部は、前記音響波受信層の膜厚分布に応じて前記補償層の屈折率を変化させることにより、前記光路長のばらつきを補償するものである
ことを特徴とする請求項２に記載の音響信号受信装置。
【請求項４】
前記補償層は、前記音響波受信層と積層構成である
ことを特徴とする請求項２または３に記載の音響信号受信装置。
【請求項５】
前記検出器により検出された光路長の変化に基づいて前記被検体からの音響波の強度を求める信号処理部をさらに有する
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の音響信号受信装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記音響波受信層をその膜厚分布に応じて複数の領域に分割し、同一の領域の中では前記光路長が略一定となるように、前記補償層の屈折率を領域ごとに決定するものである
ことを特徴とする請求項５に記載の音響信号受信装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記補償層の屈折率が、前記複数の領域ごとに決定された複数の屈折率のそれぞれとなるように順に制御を行い、
前記検出器は、前記制御部により制御されたそれぞれの屈折率において測定を行い、
前記信号処理部は、前記被検体からの音響波の強度を求める際に、前記複数の領域のそれぞれにおける光路長の変化として、前記補償層が当該領域に対応する屈折率であるときに前記検出器により測定された値を用いる
ことを特徴とする請求項６に記載の音響信号受信装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記補償層の屈折率が、前記音響波受信層の複数の領域に対応する領域ごとに異なる屈折率となるように制御を行うことにより、前記光路長のばらつきを補償する
ことを特徴とする請求項６に記載の音響信号受信装置。
【請求項９】
前記補償層は、単純マトリクス駆動またはアクティブマトリクス駆動される液晶であり
、
前記制御部は、前記補償層の各画素への電圧印加を制御するものである
ことを特徴とする請求項８に記載の音響信号受信装置。
【請求項１０】
前記補償層は、前記音響波受信層の膜厚分布に応じた屈折率の分布を有することにより、前記膜厚分布による前記光路長のばらつきを補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の音響信号受信装置。
【請求項１１】
前記補償層は、液晶分子の配向状態が固定される液晶材料から形成される
ことを特徴とする請求項１０に記載の音響信号受信装置。
【請求項１２】
前記補償層は、濃度勾配に応じて屈折率が異なる有機物または荷電物質から形成されることを特徴とする請求項１０に記載の音響信号受信装置。
【請求項１３】
前記被検体からの音響波とは、励起光が被検体に出射された際に発生する光音響波である
ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の音響信号受信装置。
【請求項１４】
トリガとなる前記励起光は所定の周波数で前記被検体に出射されるものであり、
前記検出器は、前記励起光が出射される周期の中で、前記測定光をトリガから所定のタイミングずつ遅らせながら前記検出器に入射させることにより前記光音響波の測定を行うことを特徴とする請求項１３に記載の音響信号受信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４５１００（Ｐ２０１２−２４５１００Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７９４２（Ｐ２０１１−１１７９４２）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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