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声波检测用探针及光声计测装置.pdf

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声波 检测 探针 光声计测 装置
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摘要
申请专利号:

CN201380011865.1

申请日:

2013.02.27

公开号:

CN104159519A

公开日:

2014.11.19

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):A61B 8/00申请日:20130227|||公开
IPC分类号: A61B8/00; G01N29/00; G01N29/24 主分类号: A61B8/00
申请人: 富士胶片株式会社
发明人: 入泽觉
地址: 日本东京
优?#28909;ǎ?/td> 2012.02.29 JP 2012-043595; 2013.02.22 JP 2013-033053
专利代理机构: 中原信达知识产权代理有限责任公司 11219 代理人: 熊传芳;苏卉
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法律状态
申请(专利)号:

CN201380011865.1

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.10.19|||2014.12.17|||2014.11.19

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

在光声计测中,能够传?#36879;?#33021;光,且能够消除在多根光纤中分别行进的光的能量的偏差。声波检测用探针(11)具备以向被检体(M)照射测定光(L)的方式对测定光(L)进?#26800;?#20809;的导光部(44)和检测由测定光(L)的照射而在被检体(M)内产生的光声波(U)的声波振子(20),导光部(44)包含:均化器(40),?#28304;?#20809;学系统的上游侧入射的测定光的能量曲线进行平顶化;聚光部件(41),对透过了该均化器(40)的测定光(L)进行聚光;及光纤束(42),包含多根光纤(42a)并配置成使透过?#21496;?#20809;部件(41)的测定光(L)从入射端部(E1)入射。

权利要求书

权利要求书
1.  一种探针,是具备以向被检体出射测定光的方式对该测定光进?#26800;?#20809;的导光部和检测由所述测定光的照射而在所述被检体内产生的光声波的声波振子的声波检测用探针,所述探针的特征在于,
所述导光部包含:
均化器,对入射到该导光部的所述测定光的能量曲线进行平顶化;
聚光部件,对透过了该均化器的所述测定光进行聚光;及
光纤束,包含多根光纤且配置成使透过了所述聚光部件的所述测定光从光纤束的入射端部入射。

2.  根据权利要求1所述的探针,其特征在于,
所述均化器使所述测定光进一步扩散。

3.  根据权利要求2所述的探针,其特征在于,
所述聚光部件以?#19978;?#36848;式1所规定的所述测定光的最小光束?#26412;禗与所述光纤束的?#26412;禿的关系满足下述式2的方式?#36816;?#36848;测定光进行聚光,
所述光纤束配置成在所述测定光的光束?#26412;?#26159;0.8d以上且1.2d以下的状态下入射所述测定光。
[数学式1]
D=2.5·f·tan((φ2)2+(θ2)2)]]>               式1

0.  8d≤D≤1.2d                               式2
(式1中,f表示所述聚光部件的焦距,φ表示入射到所述均化器时的所述测定光的发散角,θ表示所述均化器的扩散角。)

4.  根据权利要求1~3中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述导光部在所述均化器的入射侧的近前处包含扩束器光学系 统,所述扩束器光学系统以将所述测定光放大成适合于所述多根光纤的孔径角的光束?#26412;?#30340;方式设定有适合于所述多根光纤的孔径角的放大率。

5.  根据权利要求1~4中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
?#36816;?#36848;光纤束的入射端部实施熔接加工。

6.  根据权利要求1~5中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述入射端部?#26800;?#25152;述多根光纤的外周由对光能具有高耐久性的材料被覆。

7.  根据权利要求6所述的探针,其特征在于,
所述对光能具有高耐久性的材料是石英。

8.  根据权利要求1~7中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
在所述入射端部的端面配置中分割出的多个分割区域各自涉及的光纤的出射端部根据所述出射端部所属的各分割区域的相?#28304;?#23567;而配置,使得所述测定光从光?#33487;?#20307;的出射端部出射时的能量曲线作为整体而变得均匀。

9.  根据权利要求8所述的探针,其特征在于,
所述多个分割区域根据距所述光纤束的中心的距离而分割而成。

10.  根据权利要求1~9中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述导光部具备至少一个导光板,所述导光板具有与所述多根光纤的出射端部的至少一部分连接的连?#29992;?#21644;从该连?#29992;?#20837;射的所述测定光出射的出射面。

11.  根据权利要求10所述的探针,其特征在于,
所述导光板以隔着所述声波振子而相向的方式配置有多个。

12.  根据权利要求1~11中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述均化器是将微小的透镜随机地配置于基板的单面的透镜扩散板。

13.  根据权利要求1~12中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
具备将所述聚光部件及所述光纤束一体化地进行保持的保持部。

14.  根据权利要求13所述的探针,其特征在于,
所述保持部将所述均化器也包含在内而一体化地进行保持。

15.  根据权利要求1~12中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
具备保持部,所述保持部以覆盖所述光纤束的入射面的方式?#36816;?#36848;入射端部进行保持,且在所述测定光入射的部分具有窗口部。

16.  根据权利要求15所述的探针,其特征在于,
所述窗口部由中性滤光器构成。

17.  根据权利要求13~16中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
具备开口部件,所述开口部件具有使入射到所述光纤束的所述测定光通过的开口并且设置于所述光纤束的入射端,所述开口的?#26412;对?#26397;向入射端越小直至减小为与所述光纤束的?#26412;?#23545;应的大小。

18.  根据权利要求13~16中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述保持部在所述保持部内部具备导光部件,所述导光部件包含帽部件和?#24230;?#21040;帽部件的环形状的薄片,该薄片由对光能具有耐性的材料形成。

19.  根据权利要求13~16中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述保持部在所述保持部内部具备导光部件,所述导光部件包含 光圈及中继透镜系统。

20.  根据权利要求13~19中?#25105;?#39033;所述的探针,其特征在于,
所述保持部具有与对光源进行内包的装置框体的安装部能够进行装卸的连接器构造。

21.  一种光声计测装置,其特征在于,具备:
权利要求1所述的探针;及
信号处理单元,对由所述声波振子检测出的光声波的光声信号进行处理。

22.  根据权利要求21所述的光声计测装置,其特征在于,具备:
光源,输出所述测定光;
装置框体,具有与该光源光学性地连接且?#36816;?#36848;均化器进行保持的安装部;及
保持部,将所述聚光部件及所述光纤束一体化地进行保持,
所述安装部及所述保持部具有相互能够装卸的连接器构造。

23.  根据权利要求21所述的光声计测装置,其特征在于,具备:
光源,输出所述测定光;
装置框体,具有与该光源光学性地连接且?#36816;?#36848;均化器及所述聚光部件进行保持的安装部;及
保持部,以覆盖所述光纤束的入射面的方式?#36816;?#36848;入射端部进行保持且在所述测定光入射的部分具有窗口部,
所述安装部及所述保持部具有相互能够装卸的连接器构造。

24.  根据权利要求21~23中?#25105;?#39033;所述的光声计测装置,其特征在于,
所述信号处理单元包含基于所述光声信号而生成光声图像的声音图像生成单元。

25.  根据权利要求24所述的光声计测装置,其特征在于,
所述声波振子检测对发送到所述被检体的声波的反射声波,
所述声音图像生成单元基于所述反射声波的信号而生成反射声波图像。

说明书

说明书声波检测用探针及光声计测装置
?#38469;?#39046;域
本发明涉及与测定对象接触来检测声波的探针及光声计测装置。
背景?#38469;?
光声分光法是如下方法:将具有预定波长(例如可见光、近红外光或中间红外光的波段)的脉冲光照射到被检体,对被检体内的特定物质吸收该脉冲光的能量结果产生的弹性波即光声波进行检测,并对该特定物质的浓度定量地进行计测(例如专利文献1)。所谓被检体内的特定物质,例如是血液中含有的葡萄糖、血红蛋白等。如此对光声波进行检测并基于其检测信号生成光声图像的?#38469;?#34987;称作光声?#19978;?PAI:Photoacoustic Imaging)或光声层析?#19978;?PAT:Photo Acoustic Tomography)。
以往,在利用了上述那样的光声分光法的计测(光声计测)中,存在以下那样的课题。照射到被检体的光的强度在被检体内传播的过程中因吸收、散射而显著地衰减。另外,基于所照射的光而在被检体内产生的光声波的强度也在被检体内传播的过程中因吸收、散射而衰减。因此,在光声计测中,难以获得被检体的深部的信息。为?#31169;?#20915;该课题,考虑到例如使用高能量的光来增加照射到被检体内的光的能量,从而增大所产生的光声波。
可是,在利用光纤对光声计测中所需的高能量(1mJ以上)的光进?#26800;?#20809;的情况下,该光纤的端面被破坏的可能性高,产生光纤的耐久性的问题。这?#19988;?#20026;,通常,在使光入射到光纤时,以光的光束?#26412;?#25910;敛成光纤的纤?#23616;本?#30340;方式将光纤的端面配置于聚光透镜的焦点附近位置。可是,在利用聚光透镜进行聚光时光被过度集中而使能量 局部地集中,以该能量集?#26800;?#37096;分为起点而使光纤的端面的损伤不断发展。
另一方面,在例如专利文献2中,公开了如下内容:使用将入射端部熔接加工后的光纤束(熔接光纤束)来有效地?#26723;?#27599;单位面积入射的光的能量,从而实现高能光的传送。
专利文献
专利文献1:日本特开2010-12295号公报
专利文献2:日本特开2004-193267号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而,即使将专利文献2的方法适用于光声计测,也存在无法确保从熔接光纤束出射的光的能量曲线的均匀性的问题。这?#19988;?#20026;,在专利文献2的方法中,无法确保光入射到熔接光纤束时的能量曲线的均匀性。在专利文献2的第0017段,记载了以与熔接光纤束的?#26412;?#22823;致相同?#26412;?#30340;点照射光的内容,但是在专利文献2中,仅是通过透镜将光聚集到熔接光纤束的入射端部。在该情况下,可以认为,光入射到熔接光纤束时的能量曲线与通常的光的能量曲线相同而具有高斯分布。于是,可以推定为在光纤束?#26800;?#21508;个光纤行进的光的能量产生偏差。
在专利文献2中,只要能够简单地传送光即可,因此不需要确保出射的光的能量曲线的均匀性,但是在光声计测中,从重构优质的光声信号的观点出发,除了高能光的传送外,也要求?#23548;?#22320;照射到被检体的光的能量曲线的均匀性。因此,消除在光纤束?#26800;?#21508;个光纤行进的光的能量的偏差变得重要。
本发明根据上述期望而作出,目的在于提供能够传?#36879;?#33021;光且能 够消除在多根光纤中分别行进的光能量的偏差的声波检测用探针及光声计测装置。
用于解决课题的手段
为?#31169;?#20915;上述课题,本发明所涉及的声波检测用探针具备以向被检体出射测定光的方式对该测定光进?#26800;?#20809;的导光部和检测由测定光的照射而在被检体内产生的光声波的声波振子,所述声波检测用探针的特征为,导光部包含:均化器,对入射到该导光部的测定光的能量曲线进行平顶化;聚光部件,对透过?#21496;?#21270;器的测定光进行聚光;及光纤束,包含多根光纤并配置成使透过?#21496;?#20809;部件的测定光从光纤束的入射端部入射。
即,在本发明中,使测定光通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,并利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。
并且,在本发明所涉及的探针中,优选为,均化器使测定光进一步扩散。在该情况下,优选为,聚光部件以?#19978;?#36848;式1所规定的测定光的最小光束?#26412;禗与光纤束的?#26412;禿的关系满足下述式2的方式对测定光进行聚光,光纤束配置成在测定光的光束?#26412;?#26159;0.8d以上且1.2d以下的状态下入射测定光。
[数学式1]
D=2.5·f·tan((φ2)2+(θ2)2)]]>                      式1
0.8d≤D≤1.2d                          式2
在本说明书中,f表示聚光部件的焦距,表示入射到均化器时的测定光的发散角,θ表示均化器的扩散角。并且,所谓“光纤束的?#26412;丁?#34920;示光纤束?#26800;?#22810;根光纤中相距最远的光纤彼此的纤?#38236;?#22806;周间 的最大距离。另外,所谓“发散角”表示激光的光束?#26412;端?#30528;传播而发散的角度。另外,所谓均化器的“扩散角”表示设计上的扩散角,即作为平行光而入射到该均化器且透过的激光的光束?#26412;端?#30528;传播而发散的角度。另外,“发散角”及“扩散角?#24065;?#24179;面角的全角表示。在对这些角度进行测定的情况下,优选为,在从某光束?#26412;?#21457;散至该光束?#26412;?#30340;2.0倍的光束?#26412;?#30340;传播距离的?#27573;?#20869;以10点程度测定光束?#26412;叮?#26681;据此时的光束?#26412;?#21464;化的斜?#35782;?#36827;行求算。
另外,所谓“光束?#26412;丁保?#33021;够设为包含激光的能量曲线的大约86.5%且以光束中心(通常是光束强度的最大位置)为中心的圆的?#26412;?#21363;所谓的1/e2?#26412;丁?#22312;该情况下,在因光束强度不规则分布等而难以求出光束中心时,?#37096;?#20197;在推定为光束中心的位置附近包络地生成能量为86.5%的圆,将其中面积最小的圆的?#26412;?#20316;为光束?#26412;丁?
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,导光部在均化器的入射侧的近前处包含扩束器光学系统,该扩束器光学系统以将测定光放大成适合于上述多根光纤的孔径角的光束?#26412;?#30340;方式设定有适合于所述多根光纤的孔径角的放大率。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,对光纤束的入射端部实施熔接加工。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,上述入射端部?#26800;?#22810;根光纤的外周由对光能具有高耐久性的材料被覆。在该情况下,优选为,对光能具有高耐久性的材料是石英。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,在上述入射端部的端面配置中分割出的多个分割区域各自涉及的光纤的出射端部根据出射端部所属的各分割区域的相?#28304;?#23567;而配置,使得测定光从光?#33487;?#20307;的出射端部出射时的能量曲线作为整体而变得均匀。在该情况下,优选 为,多个分割区域根据距光纤束的中心的距离而分割而成。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,导光部具备至少一个导光板,该导光板具有与多根光纤的出射端部的至少一部分连接的连?#29992;?#21644;从连?#29992;?#20837;射的测定光出射的出射面。在该情况下,优选为,导光板以隔着声波振子而相向的方式配置有多个。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,均化器是将微小的透镜随机地配置于基板的单面的透镜扩散板。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,具备将聚光部件及光纤束一体化地进行保持的保持部。在该情况下,优选为,保持部将均化器也包含在内而一体化地进行保持。
另外,在本发明所涉及的探针中,优选为,具备保持部,以覆盖光纤束的入射面的方式对入射端部进行保持,且在测定光入射的部分具有窗口部。在该情况下,窗口部能够由中性滤光器构成。
?#36865;猓?#22312;具备保持部的情况下,优选为,具有开口部件,该开口部件具有使入射到光纤束的测定光通过的开口并且设置于光纤束的入射端,上述开口的?#26412;对?#26397;向入射端越小直至减小为与光纤束的?#26412;?#23545;应的大小。或者,优选为,保持部在保持部内部具备导光部件,该导光部件包含帽部件及?#24230;?#21040;帽部件的环形状的薄片,该薄片由对光能具有耐性的材料形成,或者优选为,在保持部内部具备导光部件,该导光部件包含光圈及中继透镜系统。另外,优选为,保持部具有与对光源进行内包的装置框体的安装部能够进行装卸的连接器构造。
本发明所涉及的光声计测装置的特征为,具备:上述记载的探针;及信号处理单元,对由声波振子检测出的光声波的光声信号进行处理。
并且,在本发明所涉及的光声计测装置中,优选为,具备:光源,输出测定光;装置框体,具有与该光源光学性地连接且对均化器进行保持的安装部;及保持部,将聚光部件及光纤束一体化地进行保持,安装部及保持部具有相互能够装卸的连接器构造。或者,在本发明所涉及的光声计测装置中,优选为,具备:光源,输出测定光;装置框体,具有与该光源光学性地连接且对均化器及聚光部件进行保持的安装部;及保持部,以覆盖光纤束的入射面的方式对入射端部进行保持且在测定光入射的部分具有窗口部,安装部及保持部具有相互能够装卸的连接器构造。
另外,在本发明所涉及的光声计测装置中,优选为,信号处理单元包含基于光声信号而生成光声图像的声音图像生成单元。在该情况下,优选为,声波振子检测对发送到被检体的声波的反射声波,声音图像生成单元基于反射声波的信号而生成反射声波图像。
发明效果
在本发明所涉及的声波检测用探针及光声计测装置中,导光部包含:均化器,对入射到该导光部的测定光的能量曲线进行平顶化;聚光部件,对透过?#21496;?#21270;器的测定光进行聚光;及光纤束,包含多根光纤并配置成使透过?#21496;?#20809;部件的测定光从入射端部入射。由此,通过将被平顶化后的测定光分割而入射到光纤束?#26800;?#21508;光纤,能够以较广的?#27573;?#38450;止局部性的能量超过损伤阈值能量而使光纤束的端面损伤。该结果为,在光声计测中,能够传?#36879;?#33021;光,且能够消除在多根光纤中分别行进的光的能量的偏差。
附图说明
图1是对第一实施方式?#26800;?#25506;针的导光部的结构例进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
图2是对第一实施方式的探针?#26800;?#22768;波振子及光纤的配置进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
图3是对均化器的多个结构例进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
图4是对探针的导光部的其他结构例进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
图5是对熔接加工后的光纤束的入射端部的端面配置进行表?#38236;?#27010;略图。
图6a)是对利用均化器将能量曲线平顶化后由透镜进行聚光后的激光的能量曲线进行表?#38236;?#22270;。b)是对不使用均化器而仅由透镜进行聚光后的激光的能量曲线进行表?#38236;?#22270;。
图7是对透镜扩散板及聚光部件的光学特性和最小光束?#26412;?#30340;关系进行表?#38236;?#22352;标图。
图8是在将行进方向和聚光部件的光轴所成的角度保持分布的激光光束聚集在该聚光部件的情况下对聚光?#27573;?#30340;?#26412;?#21450;最小光束?#26412;?#30340;相关性进行表?#38236;?#22352;标图。
图9是对包含扩束器的情况下的导光部的结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图10是对导光板的结构例进行表?#38236;?#27010;略图。
图11是对第二实施方式的探针?#26800;?#22768;波振子、光纤及导光板的配置进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
图12是对在入射端部的光纤的端面配置中被分割的分割区域的设定方法进行表?#38236;?#27010;略图。
图13a)是对关于第一实施方式的探针?#26800;?#20809;纤的配置方法的设计变更进行表?#38236;?#27010;略图。b)是对关于第二实施方式的探针?#26800;?#20809;纤的配置方法的设计变更进行表?#38236;?#27010;略图。
图14a)是对包含光源的装置框体的安装部及保持部的结构进行表?#38236;?#27010;略图。b)是对将保持部安装于图14a)的安装部的情况进行表?#38236;?#27010;略图。
图15a)是对包含光源的装置框体的安装部及保持部的其他结构进行表?#38236;?#27010;略图。b)是对将保持部安装于图15a)的安装部的情况进行表?#38236;?#27010;略图。
图16是对包含光源的装置框体的安装部及保持部的其他结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图17是对在保持部内具备开口部件的结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图18A是对在光纤束的入射端部具备帽部件(石英棒)的结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图18B是对在光纤束的入射端部具备帽部件(气隙光纤)的结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图19是对入射光束的能量曲线和帽部件的关系进行表?#38236;?#27010;略图。
图20是对在光纤束的入射端部具备中继透镜系统的结构进行表?#38236;?#27010;略图。
图21是对作为光声计测装置的光声图像生成装置的第一实施方式进行表?#38236;?#27010;?#36234;?#26500;图。
图22是对作为光声计测装置的光声图像生成装置的第二实施方式进行表?#38236;?#27010;?#36234;?#26500;图。
具体实施方式
以下,关于本发明的实施方式使用附图进行说明,但是本发明不限于此。另外,为了?#23376;?#35270;觉确认,使附图?#26800;?#21508;结构要素的比例尺等与?#23548;?#30340;结构要素适当不同。
“声波检测用探针的第一实施方式”
首先,对声波检测用探针(探头)的第一实施方式进行说明。图1是对本实施方式?#26800;?#25506;针的导光部的结构例进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。另外,图2是对本施方式的探针?#26800;?#22768;波振子阵列及光纤的配置进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。
本实施方式?#26800;?#25506;针11如图1及图2所示,具备:导光部44,由均化器40、聚光部件41及熔接加工后的光纤束42构成;声波振子阵列20;及框体11a,对光纤束42的出射端部E2及声波振子阵列20进行保持。在本实施方式中,探针11?#28304;?#28608;光单元13输出的激光L入射到均化器40的方式与激光单元13光学性地连接而使用。入射到均化器40的激光L经由聚光部件41而入射到光纤束42的入射端部E1。 其后,由光纤束42导光的激光L从光纤束42?#26800;?#21508;光纤42a的出射端部E2出射,作为测定光而照射到被检体M。另外,测定光不限于激光。
<框体>
框体11a也作为用于使探针11的操作者对探针11进行保持的保持部件而发挥功能。在本实施方式中,框体11a具有手持型的形状,但是本发明的框体11a不限于此。
<均化器>
在本实施方式中,均化器40是?#28304;?#20809;学系统的上游侧入射的激光L的能量曲线(能量分布)进行平顶化并且使激光L扩散的光学要素。被平顶化后的激光L向聚光部件41被导光,以具有平顶的能量曲线的状态入射到入射端部E1。所谓对能量曲线进行“平顶化?#20445;?#25442;言之,是将入射到均化器的激光成形为中心附近具有平顶的能量曲线的激光。在本说明书中,所谓“平顶?#20445;?#34920;示如下状态:在从均化器出射的激光的能量曲线中取?#26412;?#26159;光束?#26412;?#30340;80%的同心圆且对该同心圆内的各点的能量求出标?#35745;?#24046;的情况下,该标?#35745;?#24046;是该同心圆内的平均能量的25%以内。通常,均化器构造设计为,在无限远处光完全成为平顶(即上述标?#35745;?#24046;大致等于0)。然而,在本发明中测定光入射到光纤束的入射端部时的能量曲线未必一定是完全成为平顶的状态,只要在上述?#27573;?#30340;程度内是平顶的状态即可。通过将激光L的能量曲线平顶化,能够防止光强度局部性地变强,也能够抑制光纤束42的损伤。?#36865;猓?#20063;能够抑制入射到光纤束42内的各个光纤的光能的偏差。
另外,本实施方式的均化器40发挥使从激光单元13输出的激光L扩散而将激光L的光束?#26412;对?#22823;的功能,即使激光L中所包含的光束的传播角度的分布扩展的功能。由此,均化器40的发光面成为激光L的二次光源,在由聚光部件41对激光L进行聚光时,能够防止激光L 过度集中。均化器40的扩散角优选为0.2~5.0°,更优选为0.4~3.0°。这?#19988;?#20026;透过效?#24335;?#39640;。另外,均化器的扩散功能并非必须。
将均化器40及聚光部件41的距离适当地调整为使透过?#21496;?#21270;器40的激光L高效地与聚光部件41耦合。此时,优选为,均化器40相对于聚光部件41,配置在从光学系统的上游侧且距聚光部件41的中心为焦距的3倍的?#27573;?#20869;。
均化器40可以由单一的光学元件构成,?#37096;?#20197;将多个光学元件组合而构成。在将均化器40由单一的光学元件构成的情况下,作为均化器40,例如能够使用AdlOptica公司制的π整形器。另外,作为具有扩散功能的均化器40,例如,优选为使用将微小的凹透镜?#20154;?#26426;地配置在基板的单面53s上的透镜扩散板53(图4)。作为这种透镜扩散板,例如,能够使用RPC Photonics公司制的工程扩散器(Engineered Diffusers)(型号:EDC-2.0-A,扩散角:2.0°)。通过使用这种元件,能够使激光L的能量曲线及形状大致?#25105;?#22320;变化。如此,在由单一的光学元件构成均化器40的情况下,能够利用简易的结构组装导光部44。
另一方面,在由多个光学元件构成均化器40的情况下,例如能够列举以下那样的结构。图3是表示均化器40的结构例的概略?#36866;?#22270;。例如能够如图3a所示配置微透镜阵列A45、微透镜阵列B46、平凸透镜47及可变扩束器48而构成均化器40。另外,也能够如图3b所示将全息扩散板49、聚光平凸透镜50及导光管51适当地组合而构成均化器40。另外,例如也能够如图3c所示,由装入有对光束能量曲线进行校正那样的非球面透镜的平顶激光束整形器52构成均化器40。
均化器40?#37096;?#20197;如图4a所示构成为通过保持部60a与聚光部件41及光纤束42一体化地进行保持。在该情况下,不需要调整均化器40与聚光部件41的位置关系,能够使光学系统小型化。
<聚光部件>
聚光部件41用于将通过?#21496;?#21270;器40的激光L导入到光纤束42的入射端部,能够由聚光透镜、反射镜或者它们的组?#31995;?#26500;成。例如在本实施方式中聚光部件41是由一个聚光透镜构成的聚光透镜系统。聚光部件41的焦距(光纤束42侧的主点和焦点的距离)优选为10~100mm,更优选为15~50mm。这?#19988;?#20026;,能够实现光学系统的小型化,使焦距与纤芯由石英构成且包覆层由掺氟石英构成的通常的光纤的数值孔径NA(最大为0.22左右)匹配。另外,聚光部件41也能够设为由多个透镜构成的耦合系透镜。在聚光部件41是耦合系透镜的情况下,所谓聚光部件41的焦距是指该耦合系透镜的合成焦距。聚光部件41?#37096;?#20197;如图4a所示构成为利用保持部60a将均化器40及光纤束42一体化地进行保持,?#37096;?#20197;如图4b所示构成为利用保持部60b仅与光纤束42一体化地进行保持。
<光纤束>
光纤束42将由聚光部件41聚光的(即通过?#21496;?#20809;部件41的)激光L导光至声波振子阵列20的附近。另外,?#37096;?#20197;在聚光部件41和光纤束42之间设置其他导光部件。例如如图5所示,光纤束42具备:?#19978;?#33455;和包覆层构成的多根光纤42a、套箍及护套等被覆部件42c及对多根光纤42a的外周和被覆部件42c之间进行填充的填充部件42b。优选为,光纤束42?#26800;?#20809;纤42a的纤?#23616;本?#26159;20~300μm,更优选为是50~200μm。光纤束42?#26800;?#20809;纤42a没有特别被限定,但是优选为是石英?#23435;?
?#36865;猓?#22312;本实施方式中,在光纤束42的至少其入射端部实施熔接加工。所谓熔接加工,是在将光纤线材捆束而进行束扎化时不利用粘接剂而利用热和压力进行加工的束扎加工?#38469;酢?#22312;被熔接加工后的光纤束中,包覆层彼此被熔接,光纤被捆束为六边形的蜂巢状,与使用粘接剂的束扎加工相比,光纤间的多余的间隙消失。因此,具有每单位面积的纤芯所占的面积提高的优点。另外,在光纤束的入射端部没 有出现光能弱的材料,因此还具有对光能的耐久性也提高的优点。从光纤束42中进一步提高对光能的耐久性的观点出发,优选为,填充部件42b由对光能具有高耐久性的材料构成。作为这种材料,能够列举出例如石英等玻璃材料。这种光纤束能够通过如下方法制造:在例如由石英构成的圆筒状的部件中插入多根光纤,与光纤一起也包含圆筒状的部件而进行熔接加工,其后利用被覆部件将其周围被覆。
将光纤束42位置调整成例如其入射端部E1位于聚光部件41的焦点。由于能够进行光纤束42的位置的微调整,因此也能够构成为具有使光纤束42沿其光轴方向移动的光纤束位置调整部(?#38469;?#30465;略)。如此,能够在不损失平顶性的?#27573;?#20869;,对焦点位置附近的位置进?#26800;?#25972;,?#36865;猓?#20063;能够对入射到入射端部E1时的光束?#26412;?#36827;行微调整。
另外,在如图4a所示利用保持部60a将均化器40、聚光部件41及光纤束42一体化地进行保持的情况下,或者如图4b所示利用保持部60b将聚光部件41及光纤束42一体化地进行保持的情况下,优选为,利用螺纹构造等能够装卸的构造将光纤束42固定于保持部60a及60b,使得将光纤束42的入射端部E1容易地固定于聚光部件41的焦点位置。在图4中,保持部60a和60b的聚光透镜41侧的接合部100a及光纤束42侧的连接部100b各自具有彼此互补的螺纹构造,从而将光纤束42能够装卸地固定在保持部60a及60b。如此,在由例如螺纹构造将光纤束42固定于保持部60a或者60b的情况下,由于不需要光纤束位置调整部,因此能够使光学系统小型化。另外,由于仅从保持部60a或者60b拧松螺纹就能够容易地对光纤束42进行更换,因此在?#36816;?#20260;的光纤束42进行更换时,不需要进行聚光部件41及光纤束42的再次的对位,维护性提高。为了以将聚光部件41及光纤束42的位置关系固定的方式经由螺纹部而一体化,例如能够使用Thorlabs公司制的非球面透镜光纤准直器封装(型号:F280SMA-A或者F280SMA-B,焦距:18.4mm)等。另外,在Thorlabs公司制的非球面透镜光纤准直器封装的系列中,由于备齐?#21496;?#26377;从约4mm到18.4mm的焦距 的产品,因此能够根据目的而适当地进行选择。
在本实施方式?#26800;?#20809;纤束42的出射侧,为了提高照射到被检体的光的能量曲线的均匀性,将多根光纤42a的出射端部E2大致均等地配置在声波振子阵列20的周围。
<声波振子阵列>
声波振子阵列20将多个声波振子(或者声波检测元件)一维或者二维地排列而成,将声波信号转换为电信号。声波振子是例如由压电陶瓷、压电单结晶或者聚偏氟乙烯(PVDF)那样的高分子薄膜构成的压电元件。另外,在本说明书中,所谓“声波?#20445;?#34920;示包含超声波及光声波。在此,所谓“超声波?#20445;?#34920;示利用声波振子阵?#26800;?#25391;动而在被检体内产生的弹性波及其反射波,所谓“光声波?#20445;?#34920;示利用基于测定光的照射的光声效应而在被检体内产生的弹性波。另外,声波振子阵列20对正确的声波信号进行检测,因此优选为具备声音匹配层、声音透镜及背衬件等声音元件。
<光束?#26412;?#30340;控制>
在均化器40具有扩散功能的情况下,聚光部件41以?#19978;?#36848;式3所规定的激光L(测定光)的最小光束?#26412;禗(即,焦平面?#26800;?#20809;束?#26412;?与光纤束42的?#26412;禿的关系满足下述式4的方式对激光进行聚光,优选为,光纤束42配置成以激光L的光束?#26412;禗是0.8d以上且1.2d以下的状态入射激光。
[数学式2]
D=2.5·f·tan((φ2)2+(θ2)2)]]>                式3
0.8d≤D≤1.2d                       式4
将最小光束?#26412;禗设为0.8d以上是为了对因光束?#26412;?#38598;中而使能量集中从而使光纤束42的入射端部E1损伤的情况(纤芯损伤模式)进行抑制,具体来说,如以下那样。
图6a是对由均化器40将能量曲线平顶化后由透镜进行聚光后的激光L的焦平面?#26800;?#33021;量曲线进行表?#38236;?#22270;。另外,图6b是不使用均化器40而仅由透镜进行聚光后的激光的焦平面?#26800;?#33021;量曲线进行表?#38236;?#22270;。根据图6可知?#21644;?a?#26800;?#28608;光的半?#31561;?#23485;W1相对于最小光束?#26412;禗1的比例大于图6b?#26800;?#28608;光的半?#31561;?#23485;W2相对于最小光束?#26412;禗2的比例。通常,从激光单元输出时的激光L的发散角较小(即使较大也为0.15°左右),因?#21496;?#20809;后的激光L在光纤束42的入射端部E1较小地集中。该结果为,在光纤束42的入射端激光L的能量集中,产生光纤束42的入射端部E1的损伤。
因此,在本实施方式中,通过由均化器40使激光L暂时扩散,而对激光L的透镜焦点位置处的光束?#26412;?#36827;行控制。图7是对透镜扩散板(Engineered Diffusers)及聚光部件的光学特性和最小光束?#26412;?#30340;关系进行表?#38236;?#22352;标图。该坐标图?#26800;?#27178;轴表示透镜扩散板的扩散角(deg.),纵轴表示最小光束?#26412;?#30340;大小(μm)。另外,该坐标图?#26800;?#22278;形的标绘表示聚光部件的焦距为100mm的情况下的数据,正方形的标绘表示聚光部件的焦距为50mm的情况下的数据,三角形的标绘表示聚光部件的焦距为25mm的情况下的数据。根据图7可知?#21644;?#36807;对均化器及聚光部件的光学特性进?#26800;?#25972;,能够对最小光束?#26412;?#36827;?#26800;?#25972;。
在这种光束?#26412;?#30340;控?#21697;?#27861;中,利用如下原理:在沿与聚光部件的光轴所成的角度为α的方向行进的平行光入射到焦距f的该聚光部件的情况下,该平行光被聚光的聚光点的位置从该聚光部件的焦点位置偏离,该聚光点?#36879;?#28966;点距离能够由f·tanα近似。
因此,在入射到聚光部件的激光光束的行进方向与聚光部件的光轴所成的角度保持分布的情况下,将激光光束聚集在与各个角度对应的位置,因此使与各个角度对应的聚光点叠合后的激光整体的聚光?#27573;?也包含边缘区域)变大。例如在聚光部件的上游侧配置具有扩散功能的均化器的情况下,在均化器入射前,大约以内的激光光束的上述角度分布在透过均化器后以半角发散为大约以内,与此对应,其后利用聚光部件进行聚光的激光整体的聚光?#27573;?#36827;一步变大。
并且,如果考虑聚光?#27573;?#20013;将激光的1/e2?#26412;?#35774;为光束?#26412;叮?#21017;能够推定为聚光?#27573;?#30340;?#26412;?#21450;最小光束?#26412;禗相互具有一定的相关性。
图8是在将行进方向与聚光透镜的光轴所成的角度保持分布的激光光束聚集在该聚光透镜的情况下对聚光?#27573;?#30340;?#26412;?#21450;通过实验得到的?#23548;?#30340;最小光束?#26412;禗的相关性进行表?#38236;?#22352;标图。更具体来说,该坐标?#38469;?#22914;下的实验结果:在向具有预定的扩散角θ的均化器入射波长为532nm、脉冲宽度为3.5ns、入射到均化器时的光束?#26412;段?.5mm、发散角为0.13°的激光后,由光束轮廓仪(Coherent公司制的LaserCam-HR)测定出利用具有预定的焦距f的聚光透镜对该激光进行?#21496;?#20809;的情况下的聚光?#27573;А?#21478;外,在求算均化器的扩散角?#24065;燦上?#21516;光束轮廓仪进行了测定。坐标图?#26800;?点圆形的标绘是利用由焦距f为100mm的聚光透镜和均化器的组合构成的光学系统测定出的结果,均化器的扩散角θ从左下的标绘起分别是0.25、0.50、1.02、2.05及3.15°。另外,坐标图?#26800;?点四边形的标绘是利用由焦距f为50mm的聚光透镜和均化器的组合构成的光学系统测定出的结果,均化器的扩散角θ从左下的标绘起分别是0.25、0.50、1.02、2.05、及3.15°。另外,坐标图?#26800;?点三角形的标绘是利用由焦距f为25mm的聚光透镜和均化器的组合构成的光学系统测定出的结果,均化器的扩散角θ从左下的标绘起分别是0.25、0.50、1.02、2.05 及3.15°。
根据图8可知:最小光束?#26412;禗相对于聚光?#27573;?#30340;?#26412;?#22788;于一次函数的关系。并且,坐标图?#26800;?#19968;次函数的斜率是大约1.25。因此,最小光束?#26412;禗由上述式3所赋予。
即,可?#36816;擔?#20851;于预定的激光,不限于上述实验所用的焦距及扩散角,通过对焦距f及扩散角θ适当地进行设定,能够生成?#25105;?#30340;最小光束?#26412;禗。并且,越扩大光束?#26412;叮?#21017;越能够?#26723;?#33021;量密度。
在本实施方式中,使用上述的聚光部件的焦距和均化器的扩散角的关系对激光L的最小光束?#26412;禗进行控制,从而能够以不超过光纤束42的入射端部的损伤阈值能量密度的方式由光纤束42对高能量的激光L进?#26800;?#20809;。
另外,利用与光纤束42的?#26412;禿的关系将最小光束?#26412;禗设为1.2d是为了对由于最小光束?#26412;禗扩展而使光纤束42的入射端部E1的周围的部件吸收激光L的能量而损伤并从损伤的部位放出?#39029;?#21450;气体等放出物的情况进行抑制。这?#22336;?#20986;物?#38454;?#22312;光纤束42的端面,诱发端面附近的纤?#38236;?#30772;坏,成为阻碍能量传送的问题(周围损伤模式)的原因。即,使最小光束?#26412;禗为1.2d以下是为了对上述那样的周围损伤模式的产生进行抑制。所谓光纤束的周围的部件例如是指树脂制的上述填充部件42b及覆盖其外周的金属制套箍等被覆部件42c。
另外,最小光束?#26412;禗超过d的?#27573;且?#20026;:光束的外周侧(距光轴?#26174;?#30340;一侧)的光强度?#20808;酰?#22240;此即使最小光束?#26412;禗略微超过光纤束的?#26412;叮?#21608;围损伤模式?#26448;?#20197;产生。最小光束?#26412;禗的优选?#27573;?#26159;0.8d以上且1.0d以下。另外,将光纤束42配置成在激光L的光束?#26412;禗是0.8d以上且1.2d以下的状态下入射激光L,是为了能够使根据光纤束42的?#26412;禿而聚光的激光L高效地入射到光纤束42的入 射端部E1。
如以上那样,在本实施方式所涉及的声波检测用探针中,使激光(测定光)通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,并利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。由此,通过将被平顶化后的激光分割而入射到光纤束?#26800;?#21508;光纤,能够以较宽的?#27573;?#38450;止局部性的能量超过损伤阈值能量而使光纤束的端面损伤。所谓防止局部性的损伤,从能量传送的观点出发表示与作为整体能够?#24230;?#26356;多的能量相关联,从光能量的偏差的观点出发表示能够在各个光纤上适当地进行能量分配。该结果为,在光声计测中,能够传?#36879;?#33021;光,且能够消除在多根光纤中分别行进的光的能量的偏差。
“声波检测用探针的第二实施方式”
接下来,对声波检测用探针的第二实施方式的实施方式进行说明。本实施方式的探针与第一实施方式的不同之处在于导光部在光纤束42的上游侧具有扩束器光学系统。因此,与第一实施方式同样的结构要素的详细说明只要没有特别需要就予以省略。
图9是表示包含扩束器的情况下的导光部的结构的概略图。
本实施方式?#26800;?#25506;针11具备:导光部44,由扩束器55、均化器40、聚光部件41和被熔接加工后的光纤束42构成;声波振子阵列;及框体,对光纤束42的出射端部及声波振子阵列进行保持。在本实施方式中探针11与激光单元13光学性地连接而使用,使得从激光单元13输出的激光L入射到扩束器55。入射到扩束器55的激光L经由均化器40及聚光部件41而入射到光纤束42的入射端部E1。其后,由光纤束42进?#26800;?#20809;后的激光L从光纤束42?#26800;?#22810;根光纤42a的出射端部出射,作为测定光而照射到被检体。
关于框体、均化器40、聚光部件41、声波振子阵列,与第一实施 方式同样。
<扩束器光学系统>
扩束器光学系统55例如如图9所示,将测定光放大成适合于光纤束42?#26800;?#22810;根光纤42a的孔径角的光束?#26412;叮?#36827;一步放大?#19978;?#23545;于该孔径角最佳的光束?#26412;丁?#25152;谓“适合于光纤的孔径角的光束?#26412;丁?#34920;示经由均化器及聚光部件而聚集在光纤束的入射端部时光的聚光角与该光纤的孔径角接近的光束?#26412;叮?#25152;谓“相对于光纤的孔径角最佳的光束?#26412;丁?#34920;示此时光的聚光角大致成为该光纤的孔径角的光束?#26412;丁?#21478;外,将扩束器光学系统55配置于聚光部件41的上游侧(即光源侧)。使扩束器光学系统55的放大?#36866;?#21512;于上述多根光纤42a的孔径角,使得在不超过光纤42a的数值孔径的?#27573;?#20869;,激光L能够以更宽的发散角入射到光纤束42的入射端部E1。例如,具有通常的纤芯/包覆层构造的石英?#23435;?#30340;数值孔径是0.20~22,孔径角是11.4~12.7°。通过如?#31169;?#34892;设定,能够尽可能地扩大在光纤42a中出射后的光的发散角,能够从光纤42a的出射端面以更短的距离实现照明的均匀化。另外,虽然可以将扩束器光学系统55配置于均化器40和聚光部件41之间,但是从控制性的观点出发,优选为,如图9所示,将扩束器光学系统55配置在均化器40的上游侧的跟前(近前)的位置。
能够根据光纤42a的数值孔径例如适当组合凹透镜及凸透镜等而制作上述那样的扩束器光学系统55。
如以上那样,在本实施方式所涉及的声波检测用探针中,也使激光(测定光)通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。由此,达到与第一实施方式同样的效果。
?#36865;猓?#22312;本实施方式中,使用扩束器光学系统55,将测定光放大?#19978;?#23545;于光纤束42?#26800;?#22810;根光纤42a的孔径角最佳的光束?#26412;叮?#22240;而 能够进一步提高照明的均匀性。
“声波检测用探针的第三实施方式”
接下来,对声波检测用探针的第三实施方式的实施方式进行说明。本实施方式的探针与第一实施方式的不同之处在于经由导光板而照射由光纤束42进?#26800;?#20809;后的测定光。因此,与第一实施方式同样的结构要素的详细说明只要没有特别需要就予以省略。
图10是表?#38236;?#20809;板的结构例的概略图。图11是对本实施方式的探针?#26800;?#22768;波振子、光纤及导光板的配置进行表?#38236;?#27010;略?#36866;?#22270;。特别是,a是主视图,b是侧视图?#26800;鈉适?#22270;。
本实施方式?#26800;?#25506;针11具备:导光部,由均化器、聚光部件、熔接加工后的光纤束42和导光板43构成;声波振子阵列20;及框体11a,对光纤束42的出射端部E2及声波振子阵列20进行保持。在本实施方式中,探针11也与激光单元光学性地连接而使用,使得从激光单元输出的激光L入射到均化器。入射到均化器的激光L经由聚光部件而入射到光纤束42的入射端部。其后,由光纤束42进?#26800;?#20809;后的激光L从光纤束42?#26800;?#22810;根光纤42a的出射端部E2直接入射到导光板43的连?#29992;鍿1,由导光板43进?#26800;?#20809;后的激光L从导光板43的出射面S2出射,作为测定光而照射到被检体M。
关于框体、均化器、聚光部件、声波振子阵列20,与第一实施方式同样。
<导光板>
导光板43是对例如丙烯板、石英板的表面实施特殊的加工而使从一端面(连?#29992;鍿1)进入的光从另一端面(出射面S2)均匀地面发光的板。例如,能够如图10所示,通过在石英板43a的相向的一对侧面上成膜低折射率的树脂薄膜43b等而制造导光板43。在该情况下,从 连?#29992;鍿1入射的激光由石英板43a及树脂薄膜43b的界面S3多重反射而传播,从出射面S2出射。光纤42a的出射端部E2在导光板43的连?#29992;鍿1上大致均等地配置且光学性地连接。如图10a所示,在导光板43具有从连?#29992;鍿1朝着出射面S2扩展的锥形状的情况下,能够以更广的?#27573;?#22343;匀地照射激光L。另外,如图10c所示,导光板43?#37096;?#20197;具有长方体形状。如图11所示,在本实施方式中,两个导光板43配置成隔着声波振子阵列20而相向,在各个导光板43的连?#29992;鍿1上连接有光纤42a。导光板43?#37096;?#20197;具有使光向其前端部扩散的机构(包含扩散板、散射粒子的树脂等)或者使光的行进方向朝向声波振子阵列20侧的机构(用于使光折射的切口等),使得能够利用激光L照射更广?#27573;?#30340;被检体M。
如以上那样,在本实施方式所涉及的声波检测用探针中,也使激光(测定光)通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,并利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。由此,达到与第一实施方式同样的效果。
?#36865;?#22312;本实施方式中,由于经由导光板而照射测定光,因此能够进一步提高照射到被检体的光的能量曲线的均匀性。
<探针的设计变更>
在本发明中,使测定光通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化。然而,有时即使利用均化器?#26448;?#20197;完全地使能量曲线均匀。因此,在本发明中,优选为,在配置光纤的出射端部时,考虑光纤在光纤束?#26800;?#20301;置。
例如,通常激光的能量曲线成为以光轴为中心的高斯分布。在该情况下,即使使用均化器,也产生?#35272;?#20110;距光轴的距离的局部性的强度的偏差。具体来说,例如在图6a的能量曲线中存在从平顶的区域到外边缘部强度逐渐地减小的区域。因此,例如,如图12所示,在入射 端部的端面配置中将多根光纤分割为接近光纤束42的中心的分割区域(中心侧区域62)和接近外周的分割区域(外周侧区域64)。并且,根据上述各分割区域的相?#28304;?#23567;对属于中心侧区域62的光纤62a和属于外周侧区域64的光纤64a均匀地进?#20449;?#32622;。另外,在此,所谓“配置?#20445;?#34920;示包含例如如图13a所示将光纤62a及64a的出射端部等间隔地配置在声波振子阵列20的周围的情况及例如如图13b所示将光纤62a及64a的出射端部等间隔地配置在导光板43的连?#29992;?#19978;的情况。另外,在此,所谓出射端部所属的“根据各分割区域的相?#28304;?#23567;而均匀地?#20445;?#34920;示属于各分割区域的光纤的根数的比率未必一定是1对1,而是按照属于各分割区域的光纤的根数的比率,使属于各分割区域的光纤的出射端部整体地混在一起而配置。如此,能够?#26723;?#19978;述局部性的强度的偏差的影响,并能够进一步提高?#23548;?#19978;照射到被检体的测定光的能量曲线的均匀性。
另外,区域的分割方法不限于上述的方法,例如能够根据距光纤束的中心的距离而分割为三个区域,也能够相对于该中心的周围的角度而进行六等分。
?#36865;猓?#22312;保持部将导光部的结构要素一体化地进行保持的情况下,优选为,保持部具有与对光源进行内包的装置框体的安装部能够装卸的连接器构造。例如图14a是对包含激光单元13(光源)的装置框体68的安装部69及保持部65a的结构进行表?#38236;?#27010;略图。在装置框体68内置有激光单元13,通过将保持部65a安装于安装部69,能够对激光单元13和透镜扩散板53(均化器)光学性地进行连接。
例如,保持部65a的连接器构造基本上与图4a的保持部60a同样,但是不同之处在于具有利用弹簧等弹性部件67而能够在纸面上下方向上运动的突起部66。在从上方作用外力的情况下,突起部66被压下到保持部65a的槽中,其后,在不作用外力时,利用弹性部件67的?#25351;?#21147;而返回到原始位置。另外,突起部66的突出部分的表面形成为弯曲 面,使得即使作用纸面水平方向的外力,突起部66也被压下到保持部65a的槽中。另一方面,如图14a所示,在安装部69设置有例如由与突起部66互补的形状的槽构成的卡合部69a。当保持部65a开始向安装部69插入时,突起部66由安装部69的内壁压下,其后,当突起部66到达卡合部69a时,突起部66返回到原始位置,而使得突起部66和卡合部69a卡合。并且,由光学系统70将输出的激光L导光至透镜扩散板53,其后,在本发明的探针中进行传播。
或者,作为保持部具有与安装部能够装卸的连接器构造的例子,也能够列举如图15所示那样的方式。
例如保持部65b的连接器构造基本上与图4b的保持部60b同样,但是不同之处在于具有利用弹簧等弹性部件67而能够在纸面上下方向上运动的突起部66。突起部66与前述的部件同样。另一方面,如图15a所示,在安装部69设置有例如由与突起部66互补的形状的槽构成的卡合部69a和透镜扩散板53。当保持部65b开始向安装部69插入时,突起部66由安装部69的内壁压下,其后当突起部66到达卡合部69a时,突起部66返回到原始位置,而使得突起部66和卡合部69a卡合。与?#36865;?#26102;,能够将透镜扩散板53和聚光部件41的配置固定而光学性地进行连接。并且,利用光学系统70将输出的激光L导光至透镜扩散板53,其后,在本发明?#26800;?#23548;光部传播。在该方式中,即使在没有安装探针的情况下,?#27493;?#20174;装置输出扩散后的测定光,因而优选。
或者,作为保持部具有与安装部能够装卸的连接器构造的例子,也能够列举出图16所示那样的方式。
例如,保持部65c以覆盖光纤束42的入射面的方式对入射端部进行保持,并且具有与上述同样的突起部66和位于入射激光L的部分的窗口部74。窗口部74由透光性的材料(例如石英)构成,以对光纤束42的入射面露出的槽进行阻塞的方式设置于激光L的光路上。由此, 例如光纤束42的入射面存在于由保持部65c封闭的空间内。优选为,在窗口部74的光源侧的表面,具有MgF2膜、Ta2O5膜或者SiO2多层膜等防反射镀层(AR镀层)。另一方面,如图16所示,在安装部69除了设置有例如由与突起部66互补的形状的槽构成的卡合部69a外,还设置有扩束器73、均化器40及聚光部件41。例如,扩束器73由平凹透镜71及凸透镜72构成。保持部65c和安装部69的安装顺序与上述同样。当将保持部65c向安装部69安装时,经由了扩束器73、均化器40及聚光部件41的激光L透过窗口部74而向光纤束42的入射面入射。在该方式中,与光纤束42的入射面相比,?#39029;镜?#30340;?#38454;?#22312;能量密度低的窗口部74的光源侧的表面产生,因?#21496;?#26377;难以引起端面损伤的优点。在图14或者图15中如果设置窗口部则也能够得到同样的效果。另外,聚光部件41设置于光源系统侧,因此还具有如下优点:在对保持部65c和安装部69进行装卸时,能够缓解保持部65c的角度精度的要求,重点考虑位置精度即可。
另外,在图16中,作为窗口部74也能够使用中性滤光器。中性滤光器是将例如氧化物的多层膜涂敷而成的石英基板。在这种情况下,能够在探针侧减小激光L的强度,在光源系统侧不需要激光强度的调整机构。
另外,优选为,例如如图17所示,保持部在光纤束42的入射端具有锥构造的开口部件,该开口部件具有使入射到光纤束的测定光通过的开口。该开口的?#26412;?#24418;成为随着朝向入射端而减小至与光纤束的?#26412;?#23545;应的大小。例如在图17中,开口部件75的光纤束侧的开口的?#26412;?#19982;光纤束的?#26412;?#19968;致。优选为,上述锥构造的锥角比向光纤束42入射时的光的聚光角大,比光纤的NA小。开口部件75的开口内表面以对光进行反射、散射或者吸收的方式构成。因此,在开口内表面对光进行反射或者散射的情况下,从光纤能够受光的入射角偏离的角度成分的光经由反射或者散射而入射到光纤,光的传送效?#24335;?#19968;步提高。另一方面,在开口内表面对光进行吸收的情况下,从光纤能够受光的 入射角偏离的角度成分的光从光纤偏离且在较广的?#27573;?#30340;部位被吸收,因此与在光纤附近被吸收时相比,能够抑制光纤的损伤。
为了形成开口内表面对光进行反射的结构,例如,在开口内表面上实施镜面精加工等平滑化处理,或形成金薄膜等反射率高的膜即可。另外,为了形成开口内表面对光进行散射的结构,例如由Al2O3、TiO2、ZrO2等陶瓷的厚粉体或者烧结体形成开口部件,或者由特氟隆(?#21305;榨恁?(注册商标)、未进行?#24515;?#30340;玻璃形成开口部件即可。另外,为了形成开口内表面对光进行吸收的结构,例如由铝、黄铜或者铜等金属形成开口部件即可。
另外,在由于能量曲线的边缘区域部分的影响而有可能产生周围损伤模式的情况下,优选为,在光纤束的入射端设置例如如图18A、图18B或者图20所示那样的、用于防止光纤束的周围部件(套箍等)的损伤的导光部件。例如,图18A及图18B的导光部件由帽部件和环形状的薄片77构成,所述薄片77由对光能具有耐性的材料(例如,在所使用的测定光的波段中光吸收性优异的蓝宝石等)形成且?#24230;?#21040;帽部件。作为帽部件,例如能够使用石英棒76a(图18A)或者气隙光纤76b(图18B)。薄片77?#24230;?#21040;帽部件的入射端部。特别是,在将气隙光纤76b作为帽部件而使用的情况下,优选为在该气隙光纤76b的连接器埋入薄片77。例如,在图18B的气隙光纤76b设置与光纤束42侧的连接器65d能够装卸的出射侧连接器65e和入射侧连接器65f,至少在该入射侧连接器65f埋入薄片77。在使用这种导光部件的情况下,边缘区域部分的光例如被薄片77吸收或者反射而被隔断(图19)。因此,能够防止边缘区域部分的光到达光纤束的周围部件,并能够防止周围损伤模式的产生。
另一方面,例如图20的导光部件由第一光圈78(边缘区域部分隔断用)、第二光圈79(光量调节用)、中继透镜系统80及第三光圈81(边缘区域部分隔断用)构成。例如,第一光圈78配置在聚光部件 41的焦点的附近,第二光圈79配置在中继透镜系统80的附近,第三光圈81配置在光纤束的入射端部的附近。在使用这种导光部件的情况下,能够在中继透镜系统80的前后使光束?#26412;?#25918;大或者缩小,在光纤束的?#26412;?#26681;据所使用的探针而不同的情况下,能够对中继透镜系统80进?#26800;?#25972;而使光束?#26412;段?#26399;望的大小。光的边缘区域部分的隔断由第一光圈78及第三光圈81进行,在中继透镜系统80近前处设置的第二光圈79用于光量的调节。
另外,例如,由石英棒76a和薄片77构成的导光部件(图18A)、由光圈78、79、81和中继透镜系统80构成的导光部件(图20)也能够设置在如图4、图14或者图15所示那样的保持部内部。
通过如上述那样在保持部设置与安装部能够装卸的连接器构造,能够提高作为探针的便利性。另外,连接器构造不限于上述的构造,优选为保持部紧凑。
“光声计测装置的第一实施方式”
接下来,对光声计测装置的第一实施方式进行说明。在本实施方式中,对光声计测装置是基于光声信号而生成光声图像的光声图像生成装置的情况具体地进行说明。图21是对本实施方式的光声图像生成装置10的结构进行表?#38236;?#26694;图。
本实施方式的光声图像生成装置10具备本发明所涉及的探针11、超声波单元12、激光单元13、图像显?#38236;?#20803;14及输入单元16。
?#25216;?#20809;单元>
激光单元13与本发明?#26800;?#20809;源相?#20445;?#20363;如将激光L作为向被检体M照射的测定光而输出。激光单元13例如构成为,接收来自控制单元29的触发信号而输出激光L。激光单元13所输出的激光L例如使用光纤等导光单元而被导光至探针11,从探针11照射到被检体M。激光单 元13优选为作为激光而输出具有1~100nsec的脉冲宽度的脉冲光。
另外,优选为,激光L的脉冲宽度tp(ns)满足下述式5。在此,A是所使用的激光向光纤束入射时的脉冲能量(J),λ是所使用的激光的波长(nm),G是光纤束的损伤阈值能量密度(J/mm2),λG及tG分别是求出损伤阈值能量密度的激光的波长及脉冲宽度,d是光纤束的?#26412;?mm)。这?#19988;?#20026;:为了防止光纤束的端面损伤而优选为下述式6成立。
[数学式3]
(4Ad2πGλGλ)2tG<tP]]>                     式5
A<π(d2)2G(λλG)tPtG]]>                   式6
例如在本实施方式中,激光单元13是Q开关(Qsw)变石激光器。在该情况下,激光L的脉冲宽度例如由Qsw所控制。由成为计测对象的被检体内的物质的光吸收特性适?#26412;?#23450;激光的波长。例如在计测对象是活体内的血红蛋白的情况下(即,对血管进行摄像的情况下),通常优选为,该波长是属于近红外波段的波长。所谓近红外波段,表示大约700~850nm的波段。另外,激光L可以是单波长,?#37096;?#20197;包含多个波长(例如750nm及800nm)。?#36865;猓?#22312;激光L包含多个波长的情况下,这些波长的光可以同时照射到被检体M,?#37096;?#20197;一边交替地切换一边进行照射。
<探针>
探针11是对被检体M内产生的光声波U进行检测的本发明所涉及的探针,在本实施方式中是第三实施方式所涉及的探针。
<超声波单元>
超声波单元12具有接收电路21、AD转换单元22、接收存储器23、光声图像重构单元24、检波/对数变换单元27、光声图像构建单元28、控制单元29、图像合成单元38及观察方式选择单元39。例如,接收电路21、AD转换单元22、接收存储器23、光声图像重构单元24、检波/对数变换单元27及光声图像构建单元28作为一体,与本发明?#26800;?#20316;为信号处理单元的光声图像生成单元相?#34180;?
控制单元29对光声图像生成装置10的各部进行控制,在本实施方式中具备触发控制电路30。触发控制电路30例如在光声图像生成装置起动时向激光单元13发送光触发信号。由此,在激光单元13将闪光灯点?#31890;?#24320;?#25216;?#20809;棒的激励。并且,维持激光棒的激励状态,激光单元13处于能够输出脉冲激光的状态。
并且,控制单元29其后从触发控制电路30向激光单元13发送Qsw触发信号。即,控制单元29利用该Qsw触发信号对来自激光单元13的脉冲激光的输出时机进行控制。另外,在本实施方式中,控制单元29在与Qsw触发信号的发送同时将采样触发信号发送到AD转换单元22。采样触发信号成为AD转换单元22?#26800;?#20809;声信号的采样的开?#38469;?#26426;的信号。如此,通过使用采样触发信号,能够与激光的输出同步而对光声信号进行采样。
接收电路21对由探针11检测出的光声信号进行接收。由接收电路21接收到的光声信号被发送到AD转换单元22。
AD转换单元22是采样单元,对由接收电路21接收到的光声信号进行采样并转换为数?#20013;?#21495;。例如,AD转换单元22具有采样控制部及AD转换器。由接收电路21接收到的接收信号被转换为由AD转换器进行了数?#21482;?#21518;的采样信号。AD转换器由采样控制部所控制,采样控制部构成为在接收到采样触发信号时开始采样。AD转换单元22例 如基于从外部输入的预定频率的AD时?#26377;?#21495;,以预定的采样周期对接收信号进行采样。
接收存储器23对由AD转换单元22采样后的光声信号(即上述采样信号)进行存储。并且,接收存储器23将由探针11检测出的光声信号输出到光声图像重构单元24。
光声图像重构单元24从接收存储器23读出光声信号,基于由探针11的声波振子阵列20检测出的光声信号,生成光声图像的各?#26800;?#25968;据。光声图像重构单元24对例如来自探针11的64个的声波振子的数据加上与声波振子的位置对应的延迟时间,生成1行数据(延迟相加法)。光声图像重构单元24?#37096;?#20197;替代延迟相加法而利用CBP法(Circular Back Projection)进行重构。或者,光声图像重构单元24?#37096;?#20197;使用霍夫变?#29615;?#25110;傅里叶变?#29615;?#36827;行重构。
检波/对数变换单元27求出各?#26800;?#25968;据的包络线,并?#36816;?#27714;出的包络线进行对数变换。
光声图像构建单元28基于实施了对数变换后的各?#26800;?#25968;据,而构建1帧光声图像。光声图像构建单元28例如将光声信号(峰值部分)的时间轴方向的位置转换为光声图像?#26800;?#28145;度方向的位置而构建光声图像。
观察方式选择单元39对光声图像的显示方式进行选择。作为关于光声信号的体积数据的显示方式,例如能够列举出作为三维图像的方式、作为截面图像的方式及作为预定的轴上的坐标图的方式。按照初始设定或基于使用者的来自输入单元16的输入而选择利用哪一个方式进行显示。
图像合成单元38使用?#26469;?#21462;得的光声信号而生成体积数据。按照 对应每个光声图像的帧建立关联后的坐标及光声图像?#26800;?#20687;素坐标,将各个光声信号的信号值分配到假想空间,从而进行体积数据的生成。例如,对Qsw触发信号进行发送时的坐标、?#23548;?#36755;出光时的坐标及开始光声信号的采样时的坐标等与光声图像的每1帧建立关联。在对信号值进行分配时,在分配的场所重复的情况下,作为该重复的场所的信号值例如采用这些信号值的平均值或者它们?#26800;?#26368;大值。另外,根据需要,在没有所分配的信号值的情况下,优选为使用其周边的信号值进行插值。例如从最接近点起?#26469;?#23558;4个接近点的加权平均值分配到插值场所而进行插值。由此,能够生成形状更自然的体积数据。?#36865;猓?#22270;像合成单元38?#36816;?#29983;成的体积数据实施必要的处理(例如刻度的校正及与体素值对应的着色等)。
另外,图像合成单元38按照由观察方式选择单元39所选择的观察方式生成光声图像。按照所选择的观察方法所生成的光声图像成为用于在图像显?#38236;?#20803;14显?#38236;?#26368;终的图像(显示图像)。另外,在上述的光声图像的生成方法中,当然?#37096;?#20197;在暂时生成光声图像后由使用者根据需要而使该图像旋转或移动。即,在显示三维图像的情况下,使用者使用输入单元16而对作为视点的方向?#26469;?#36827;行指定或使之移动,从而对光声图像进行再计算而使三维图像旋转。另外,使用者?#37096;?#20197;使用输入单元16适当地对观察方法进行变更。
图像显?#38236;?#20803;14对由图像合成单元38生成的显示图像进行显示。
如以上那样,在本实施方式所涉及的光声计测装置中,也使激光(测定光)通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。该结果为,在光声计测中,能够传?#36879;?#33021;光,且能够消除分别在多根光纤中行进的光的能量的偏差。
并且,作为该结果,为了得到更强且均质的光声信号而能够生成 高画质的光声图像。另外,能够使激光的传送线缆小型化及轻量化,光声计测装置的操作性提高。
“光声计测装置的第二实施方式”
接下来,对光声计测装置的第二实施方式进行说明。在本实施方式中,也对光声计测装置是光声图像生成装置的情况具体地进行说明。图22是对本实施方式的光声图像生成装置10的结构进行表?#38236;?#26694;图。本实施方式与第一实施方式的不同之处在于除了生成光声图像之外也生成超声波图像。因此,关于与第一实施方式同样的结构要素的详细的说明,只要没有特别需要就予以省略。
本实施方式的光声图像生成装置10与第一实施方式同样,具备本发明所涉及的探针11、超声波单元12、激光单元13、图像显?#38236;?#20803;14及输入单元16。
<超声波单元>
本实施方式的超声波单元12在图21所?#38236;?#20809;声图像生成装置的结构的基础上,还具备发送控制电路33、数据分离单元34、超声波图像重构单元35、检波/对数变换单元36及超声波图像构建单元37。在本实施方式中,接收电路21、AD转换单元22、接收存储器23、数据分离单元34、光声图像重构单元24、检波/对数变换单元27、光声图像构建单元28、超声波图像重构单元35、检波/对数变换单元36及超声波图像构建单元37作为一体,与本发明?#26800;?#20316;为信号处理单元的声音图像生成单元相?#34180;?
在本实施方式中,探针11除?#31169;?#34892;光声信号的检测,还进行对被检体的超声波的输出(发送)及与发送出的超声波对应的来自被检体的反射超声波的检测(接收)。作为进行超声波的收发的声波振子,可以使用前述的声波振子阵列20,?#37096;?#20197;使用与超声波的收发用不同而另行在探针11中设置的新的声波振子阵列。另外,超声波的收发也 可以分离。例如,探针11可?#28304;?#19981;同的位置进行超声波的发送,并由探针11对与该发送出的超声波对应的反射超声波进行接收。
触发控制电路30在生成超声波图像时向发送控制电路33发送对超声波发送进行指?#38236;某?#22768;波发送触发信号。当发送控制电路33接收到该触发信号时,从探针11发送超声波。探针11在发送超声波后对来自被检体的反射超声波进行检测。
探针11检测出的反射超声波经由接收电路21而输入到AD转换单元22。触发控制电路30与超声波发送的时机一致而向AD转换单元22发送采样触发信号,开始反射超声波的采样。在此,反射超声波在探针11和超声波反射位置之间往复,相对于此,光声信号是从该产生位置到探针11的单程。在反射超声波的检测中,与在相同深度位置产生的光声信号的检测相比,需要两倍的时间,因此AD转换单元22的采样时钟是光声信号采样时的一半,例如可以设为20MHz。AD转换单元22将反射超声波的采样信号存储于接收存储器23。关于光声信号的采样和反射超声波的采样,先进行哪个均可。
数据分离单元34?#28304;?#20648;于接收存储器23的光声信号的采样信号和反射超声波的采样信号进行分离。数据分离单元34将分离后的光声信号的采样信号输入到光声图像重构单元24。光声图像的生成与第一实施方式同样。另一方面,数据分离单元34将分离后的反射超声波的采样信号输入到超声波图像重构单元35。
超声波图像重构单元35基于由探针11的多个声波振子检测出的反射超声波(该采样信号),生成超声波图像的各行数据。在各行数据的生成中,与光声图像重构单元24?#26800;?#21508;行数据的生成同样,能够使用延迟相加法等。检波/对数变换单元36求出超声波图像重构单元35所输出的各行数据的包络线,?#36816;?#27714;出的包络线进行对数变换。
超声波图像构建单元37基于实施了对数变换后的各行数据,生成超声波图像。
图像合成单元38对光声图像和超声波图像进行合成。图像合成单元38通过将例如光声图像和超声波图像重叠而进行图像合成。合成后的图像在图像显?#38236;?#20803;14中显示。可以不进行图像合成而在图像显?#38236;?#20803;14并列显示光声图像和超声波图像,或者?#37096;?#20197;对光声图像和超声波图像进行切换而显示。
如以上那样,在本实施方式所涉及的光声计测装置中,也使激光(测定光)通过一次均化器从而对能量曲线进行平顶化,利用聚光部件对入射到光纤束时的光束?#26412;?#36827;行控制。由此,达到与第一实施方式同样的效果。
?#36865;猓?#26412;实施方式的光声计测装置除了生成光声图像之外还生成超声波图像。因此,通过参照超声波图像,能够对在光声图像中无法图像化的部分进行观察。
工业实用性
另外,以上对光声计测装置生成光声图像、超声波图像的情况进行了说明,但是这种图像生成未必一定需要。例如,?#37096;?#20197;将光声计测装置设为基于光声信号的大小来对测定对象是否存在、物理量进行计测的结构。

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本文标题:声波检测用探针及光声计测装置.pdf
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