JP3105516B2 - 音響レンズ系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波などにより物体の像を形成する音響
レンズ系に関するものである。

〔従来技術〕

近年、各種の超音波診断装置、超音波顕微鏡など、超
音波を利用して対象物の観察、検査、診断などを行なう
装置が開発されている。これらの装置では音響レンズを
用いて音源から発生する超音波を所望の位置に集束さ
せ、物体からの反射波により物体の表面あるいは内部の
像を得るようになっている。しかし、従来知られている
音響レンズの多くは２次元的な結像機能を持たないた
め、物体表面のある広さの領域の像を得るには物体を移
動させることにより物体表面上で超音波の集束点を相対
的に移動させて走査を行う必要があり、機械的な構成が
大掛かりになるという問題があった。

これに対し、音響レンズに２次元的な結像機能を付与
し、物体を移動させることなくある広さの領域の像を得
ようとする装置が考案された。

第35図はこの種の超音波装置の一例を示すものであ
る。この装置は多数の微小な超音波素子を升目状に配列
してなるトランスデューサ１と、音響レンズ系２とを備
えている。トランスデューサ１の各超音波素子はパルス
発生器３により駆動されて超音波を発生し、かつ物体で
反射した超音波を受ける（受信器と検出器とを兼ねる）
ものである。なお、トランスデューサ１と物体との間は
水などで満たされている。

まず、一つの超音波素子がパルス状の超音波を発生
し、これが音響レンズ系２により物体に集束される。物
体で反射した超音波は逆に音響レンズ系２により元の超
音波素子上に集束され、この超音波素子で電気信号に変
換される。次いで同じ行の隣接する超音波素子が同様に
動作する。これを繰り返して１ラインの走査が終了した
ら次の列に移る。そして、全ての超音波素子がこの様な
動作を終了した時点で、この超音波トランスデューサ２
の大きさに対応する物体上の領域の像を表わす電気信号
が得られる。この信号を信号処理回路４で処理してモニ
ターTV5に物体像を表示する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような装置に用いられる音響レンズは、その軸上
のみならず軸外においても良好な結像性能を有すること
が必要である。ところが、前記従来例では超音波を２次
元的に結像させるというアイデアは開示されているが、
それを実現する音響レンズの具体的構成に関しては何ら
開示がない。

本発明は、超音波などを２次元的に結像させる音響レ
ンズの性質について検討し、軸上のみならず軸外におい
ても良好な結像性能を持った音響レンズ系を得ることを
目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕

本発明は、物体より発する音波を結像させるための音
響レンズ系において、音束絞りに対して凹面を向けたレ
ンズと音束絞りに対して凸面を向けたレンズとを、音束
絞りの物体側及び像側に、前記音束絞りに対して凹面を
向けたレンズが前記音束絞りから遠い位置になるように
それぞれ配置し、前記音束絞りに対する凹面が非球面で
あることを特徴とするものである。

また、本発明は、物体より発する音波を結像させるた
めの音響レンズ系において、該レンズ系を構成する音響
レンズ系の少なくとも１つの面を非球面とし、前記音響
レンズ系は内部に音束絞りを備えており、前記非球面が
該音響レンズ系の軸から離れるにつれて曲率が緩くなる
ような形状を有し、以下の条件を満足することを特徴と
するものである。

ΣP_Oid_Oi＞ΣP_Tjd_Tj ただし、P_Tj、P_Oiは夫々前記音響レンズ系を構成する
各音響レンズの前記音束絞りに対して凸の面、凹の面の
屈折力、d_Tj、d_Oiは夫々各面の前記音束絞りからの距離
である。

さらに、本発明は、物体より発する音波を結像させる
ための音響レンズ系において、該レンズ系を構成する音
響レンズの少なくとも１つの面を非球面とし、前記音響
レンズ系は内部に音束絞りを備えており、前記非球面が
該音響レンズ系の軸から離れるにつれて曲率が緩くなる
ような形状を有し、以下の条件を満足することを特徴と
するものである。

R_O＜R_T ただし、R_T、R_Oは夫々前記音響レンズ系を構成する各
音響レンズの前記音束絞りに対して凸の面、凹の面の曲
率半径の平均値である。

以下、第１図ないし第10図に基づいて本発明の基本的
な考え方を説明する。

第１図は音波に関する屈折の法則を説明するものであ
る。図に示すように境界面６を挟んで２つの異なる媒質
が接しており、一方の媒質中から他方の媒質中へ音波が
進行していくものとする。図中矢印で示すように音波の
波面の法線の包絡線を音線と呼ぶことにすると、この音
線に対して幾何光学における光線に対するのと同じ屈折
の法則が成立する。すなわち、今、入射側の媒質Ｉ中の
ある周波数の超音波の速度をv₁、射出側の媒質II中の同
じ周波数の超音波の速度をv₂、境界面６に立てた法線と
音線とのなす角を入射側、射出側において夫々θ_１、θ
_２とすると、 sinθ₁/sinθ_２＝v₁/v₂ ……（１） という関係が成立する。したがって、v₁/v₂を両媒質の
相対屈折率と考えれば、音線の概念を用いることにより
幾何光学の考え方を応用して音響レンズの特性を解析す
ることができる。

第２図は以下の説明で用いる記号を与えるために、大
きさを持つ物体の像を形成する（すなわち画角を有す
る）音響レンズおよび結像に係わる音線を示した図であ
る。図において、７は第１面の曲率半径がr₁,第２面の
曲率半径がr₂の音響レンズであり、Ｏは物体、Ｉは物体
Ｏの音響レンズ７による像である。また、８は音響レン
ズの開口数を決定する音束絞りである。軸上マージナル
音線（軸上物点から出て音響レンズの開口の最も外側を
通る音線）９がレンズの軸となす角をθ、最大像高の軸
外主音線（軸外物点から出て音束絞りの中心を通る音
線）10が軸となす角、すなわち画角をω、軸外マージナ
ル音線（軸外物点から出て音響レンズの有効径の最も外
側を通る音線）11が軸外主音線10となす角をφ、軸外主
音線10の第１面への入射高をｈ、物体Ｏと第１面の面頂
との距離をs,第２面の面頂と像Ｉとの距離をｓ′、レン
ズの軸上厚をd,第１面とレンズの入射瞳との距離をEPと
する。

超音波装置では超音波の減衰を防ぐため、その伝搬経
路を水などの液体で満たしている。第１表に現時点で実
用上使用可能と考えられる音響レンズの媒質および水の
諸性質を一覧表としてまとめておく。通常、音響レンズ
の媒質は水などの液体より屈折率が低いので、結像レン
ズは軸上より周辺の方が肉厚の大きい凹レンズの形状と
なる。以下、簡単な例を引いてこのような音響レンズの
特性を検討する。

（１）全反射 まず、音響レンズ系のレンズ面における音波の全反射
について検討する。

音響レンズの形状は大きく２つのタイプに分けること
ができる。１つは第２図に示した物点および像点側に曲
率の強い凹面を有するものであり、もう１つは第３図に
示すように音響レンズ系が複数のレンズからなっていて
互いに対向する面が強い凹面となっており、物点および
像点側は平面あるいは緩い曲面となっているものであ
る。

まず、第２図について説明する。このタイプのレンズ
では、画角が大きくなるとレンズ表面での全反射により
軸外の結像に与かる音束が減少し、回折の影響により軸
外の結像性能が劣化する。良好な性能を確保するには少
なくとも音束絞りを通過し得る音束のうち半分以上は像
面に到達する必要がある。したがって、少なくとも軸外
主音線が全反射により失われないようにしなければなら
ない。第４図は音響レンズ７の入射面近傍を拡大して示
したものであるが、上記の条件を満たすには軸外主音線
の第１面への入射角をω′、音響レンズ中の音速をv₁,
音響レンズの入射側の媒質中の音速をv₀とするとき、 ω′＜sin^-1（v₀/v₁） ……（２） という条件を満足しなければならない。すなわち、画角
を用いて書き直せば、 ω＋sin^-1（h/r₁）＜sin^-1（v₀/v₁） ……（３） を満足することが必要となる。ｈ≪r₁の場合は左辺の第
２項は無視することができ、 ω＜sin^-1（v₀/v₁） ……（４） が条件となる。更に軸外マージナル音線11も全反射しな
いようにする場合には、 ω−φ＋sin^-1（h/r₁）sin^-1（v₀/v₁） ……（５） という条件を満足すれば良い。

一方、軸上音束においては主音線がレンズの軸と一致
するので、式（５）においてω＝０としφをθで置き換
えればよい。すなわち、 sin^-1（h/r₁）−θ＜sin^-1（v₀/v₁） ……（６） という条件を満足すれば良い。角θがこの条件を満足し
ない軸上音線はレンズ表面で全反射されて失われること
になる。

次に第３図に示したタイプについて説明する。２つの
レンズ12、13の間は物空間および像空間と同じ媒質で満
たされているものとする。

このタイプの音響レンズでは第１面の曲率半径r₁が大
きいので式（３）においてsin^-1（h/r₁）が小さくな
り、同じsin^-1（v₀/v₁）に対してその分だけωを大きく
することができるので、広角化にはこのタイプのほうが
有利である。しかし、軸上音線に関してはsin^-1（h/
r₁）が小さい分だけθも小さくしなければならないの
で、大口径化には不利となる。したがって、必要とされ
る画角や口径比によって式（３），（５），（６）のい
ずれを満足させるかを決め、それに応じてレンズの形状
や材質を選択することが必要である。

（２）減衰 次にレンズ内部での音波の減衰について検討する。一
般にレンズ媒質の内部ではその外部の水などの液体中よ
り音波の減衰が激しい。このためレンズの肉厚は可能な
限り薄くすることが望ましい。

第５図は第２図に示したレンズの第１面および第２面
の近傍の厚さd₁、d₂の部分14、15を残して中央部を除去
し、その部分を水などの音波の減衰が少ない物質で埋め
たものである。このようにレンズを構成する物質の一部
をより音波の減衰が少ない物質で置き換えることによ
り、結像性能にほとんど影響することなく音波の減衰を
減らすことができる。実用上は、音響レンズ系の全長
（最も物体側の面から最も像側の面までの軸上の距離）
の中でのレンズ媒質の占める割合を半分以下にする、す
なわちレンズ系の全長をＤ、レンズ系を構成する各レン
ズの軸上厚をd₁（物体側から順にｉ＝1,2,…）とすると
き、 D/2＞Σd₁ ……（７） を満足するように各レンズの厚さを定めると良い。

（３）収差補正 次に、音響レンズの収差について説明する。画角を有
するレンズ系では軸上、軸外のいずれに対しても収差を
良好に補正することが重要である。そこでまず球面収差
について説明する。

第２図のタイプのレンズをモデルとして、球面収差を
補正するために条件を求めてみよう。簡単のためレンズ
は対称型（r₁＝−r₂）、結像倍率は−１倍（ｓ＝−
ｓ′）とする。v₀/v₁＝ｎ、軸上マージナル音線の第１
面への入射高をh_M、音響レンズの焦点距離をｆとする
と、このレンズの球面収差Δ（1/S′）は Δ（1/S′）＝（h²/f³）（Aq²＋Bqp＋Cp²＋Ｄ） ……（８） で与えられる。ただし、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはレンズ媒質の
屈折率によって定まる係数、ｑはシェイプファクター、
ｐはポジションファクターで ｑ＝（r₂＋r₁）／（r₂−r₁） ……（９） ｐ＝（ｓ′＋ｓ）／（ｓ′−ｓ） ……（10） で定義されるものである。r₁＝−r₂、ｓ＝−ｓ′の条件
よりｑ＝ｐ＝０であるから球面収差は Δ（1/S′）＝（h²/f³）・Ｄ ……（11） となる。Ｄは屈折率により Ｄ＝n²/8（ｎ−１）^２…… （12） と表される。レンズの口径比、焦点距離を一定であると
すれば（h²/f³）は定数である（これをＥと置く）か
ら、結局球面収差は Δ（1/S′）＝n²/8（ｎ−１）^２・Ｅ ……（13） となる。

第６図は右側の縦軸に球面収差、左側の縦軸にペッツ
バール和、横軸に屈折率をとって式（13）をグラフ化し
たものである。この図から明らかなように、屈折率が１
に近づくと球面収差が急激に大きくなる。Δ（1/S′）
＝5E程度が球面収差の実用上の限界と考えると、 ｎ≦0.83または1.27≦ｎ ……（14） を満足するような媒質を選定すれば球面収差が良好に補
正された音響レンズを得ることができる。逆にこの範囲
を越えてレンズの屈折率が周囲の媒質に近づくと、球面
収差が大きくなって解像力が悪くなる。

次に軸外収差について説明する。軸外収差の中で最も
問題になるのは像面の湾曲である。実際の像面の湾曲は
ペッツバール和の大きさと非点収差とに分けられるが、
概略的にはペッツバール和を像面の湾曲の評価尺度とす
ることができる。

球面収差を検討した場合と同様に第２図に示したモデ
ルについて考察する。簡単のために第２図においてレン
ズの厚さｄを０とすると、このレンズのペッツバール和
P_Sは P_S＝（１−1/n）（1/r）−（1/n−１）（1/r） ＝（2/r）（１−1/n） ……（15） で与えられる。ただし、r₁＝−r₂＝ｒとした。レンズの
焦点距離ｆは 1/f＝２（ｎ−１）/r ……（16） であるから、この式（15），（16）より P_S＝1/nf ……（17） となり、ペッツバール和はレンズ媒質の屈折率に反比例
することが分かる。

再び第６図を見ると、レンズの屈折率が周囲の媒質の
屈折率よりも小さい場合には球面収差の減少する方向と
ペッツバール和の増大する方向とが一致していることが
分かる。したがって、球面収差と像面平坦性とのバラン
スを考えてレンズ媒質を選定することが望ましい。な
お、像面の湾曲による解像力の低下を防止するため、超
音波素子を軸に垂直な面に対して湾曲した面上に配置す
ることが必要となる場合もある。

第２表に『焦点距離ｆ＝100、軸上厚ｄ＝20、倍率ｍ
＝−１、ＦナンバF/9.8、像高Ｉ＝10のレンズを水中に
置く』という条件下で、種々の屈折率の媒質でレンズを
構成した場合に生ずる諸収差、レンズ面の曲率半径、レ
ンズ面での全反射角度を一覧表として示しておく。

以上の考察は第２図に示したタイプのレンズに関する
ものであるが、レンズの形状が異なる場合にも同様の傾
向を示すと考えて良い。すなわち、一般的にはｑ＝ｐ＝
０という関係が成立しないが、その場合でも球面収差は
（８）式のｑ、ｐを含む項の最小値に最後の項Ｄが付加
された形となるため、上で解析した項Ｄに関する球面収
差の傾向はそのまま残るのである。また、像面の湾曲に
ついては単に式を簡略化するためにr₁＝−r₂＝ｒとした
だけで、ペッツバール和はレンズの焦点距離と屈折率に
依存するから、上述の結果がすべての場合に当てはまる
ことになる。

（４）非球面の導入 （１）ないし（３）で説明した考察により音響レンズ
の基本的構成は定まるが、さらに結像性能を向上させる
ためにレンズ面を非球面化することについて検討する。
ここで検討する非球面はレンズの軸の回りに回転対称な
ものに限るので、非球面の形状に関しては平面内の曲線
を考えれば十分である。ここでも説明を簡略にするた
め、非球面を以下の式で表すこととする。すなわち、レ
ンズの軸に沿ってｚ軸、これに垂直にｙ軸をとり原点で
ｙ軸に接する円の半径をｒとすると （ｚ−ｒ）^２＋y²＝r² ……（18） であるが、これをｚについて解くと ｚ＝y²/2r＋y⁴/8r³＋・・・ ……（19） となるので、この円から僅かに偏る非球面を面頂におけ
る曲率半径をｒ、非球面化の程度を表すパラメータをε
として ｚ＝y²/2r＋（y⁴/8r³）（１−ε）＋・・ ……（20） と表すことにする。非球面が２次曲面の場合はεは離心
率の２乗となり、ε＜−１で双曲線、ε＝−１で放物
線、−１＜ε＜０でｚ軸を長軸とする楕円、ε＝０で
円、０＜εでｚ軸を短軸とする楕円となる。

ここで再び第２図のレンズをモデルとして球面収差の
補正について考えてみよう。改めて非球面の入社側の媒
質中の音束をv₀、射出側の媒質中の音束をv₁として相対
屈折率をn₁＝v₀/v₁とすると、上記のような非球面の導
入により −y²ε（１−n₁）/2r³ ……（21） で表される新たな球面収差が発生する。したがって、レ
ンズ全体の球面収差は式（13）に上記の成分を加え、更
に式（13）のＥに式（16）を代入して Δ（1/S′）＝（ｎ−１）y²/2n²r³−y²ε（１−ｎ）/
2r³ （22） となる。非球面の導入により球面収差を完全に補正する
条件はΔ（1/S′）＝０であるから、この条件の下で式
（22）をεについて解くと ε＝−（1/n₁）^２ ……（23） すなわち、 ε＝−（v₁/v₀）^２ ……（24） となる。このモデルではv₁＜v₀であるから−１＜ε＜０
なり、非球面の形状は第７図に示すようにレンズ系の軸
を長軸とする楕円となる。

一方、第３図に示したタイプのものでは、絞りを挟ん
で互いに対向する面においてv₁＞v₀であるからε＜−１
となり、非球面の形状は第８図に示すように双曲線とな
る。

第７図から分かるように、このタイプのレンズ系では
軸から離れたところでの軸と面の接線とのなす角度の小
さくなる度合いが大きいため、軸外の音束に対しては全
反射がより起こりやすく、画角の大きいレンズ系には必
ずしも適していない。

第８図のタイプは第７図のものとは異なり軸から離れ
たところでの軸と面の接線とのなす角度の小さくなる度
合いは小さいので、全反射の心配をすることなく非球面
を導入して球面収差の補正を行うことができる。

（５）レンズ形状に関する総合的考察 ところで、像面の湾曲の内、非点収差は非球面で補正
できるがペッツバール和の補正は不可能である。このた
め、実際に収差補正を考慮してレンズ設計を行う場合に
は、まずペッツバール和が小さくなるようにレンズ系の
基本形状を定め、そこに非球面を導入して球面収差と非
点収差とを補正することになる。

非球面の形状に関しては球面収差の補正上、音響レン
ズの入射側の面のおいてはレンズ系の軸を長軸とする楕
円面、射出側の面においては双曲面が好ましい。この
内、後者は軸から離れるにつれて曲率が徐々に緩くなる
形状であるため、球面系で発生するマイナスの非点収差
による像面の湾曲を打消す作用を持ち、両収差を同時に
補正できるので好ましい。前者も同様な傾向を持っては
いるが、軸上での曲率が等しいとすれば後者よりも軸か
ら離れたときの曲率の緩くなる程度が弱いので、非点収
差を補正する作用は後者よりは弱い。

以上から、画角が狭い場合には第７図のタイプを選べ
ば全反射の項で述べたように開口数を大きくすることが
できるので回折による分解能の劣化の少ないレンズ系を
得ることができるので有利である。しかし、画角が広い
場合には第８図のタイプのレンズ系を選んだほうが全反
射も少なくかつ非点収差の補正もしやすいので有利であ
る。

なお、第７図のタイプを用いてある程度の画角を持っ
たレンズ系を得ようとする場合には、第９図に示すよう
に軸上マージナル音線が通過する位置の近傍から外側で
面と軸とのなす角度を大きくすることが全反射を防ぐ意
味で好ましい。このような形状は非点収差による像面湾
曲の補正にも寄与するので、その点でも好ましいもので
ある。

さて、第７図と第８図の長所を合せ持ったものとし
て、第10図のようなタイプのレンズ系がある。これは、
第３図のレンズ系で音束絞りと反対側の面に緩い曲率を
持たせたものである。すなわち、これらの面に全反射に
悪影響を及ぼさない程度の曲率を持たせて開口数を大き
くする効果を持たせ、開口絞りに向かい合った面に結像
作用の主な部分を負担させるようにしたものである。こ
の形状ならば球面収差の補正のために入射側面を楕円面
とした場合でも全反射を起こす虞はなく、画角も開口数
も大きくすることができる。そして、射出面を双曲面と
すれば、更に良好に収差補正を行なうことができる。こ
のためには、レンズの音束絞りに向いた面の曲率半径が
音束絞りの反対側の面の曲率半径より小さいこと、すな
わち、 R₂＜R₁ ……（25） R₃＜R₄ なる条件を満足することが必要である。なお、多数の音
響レンズからなるレンズ系においては、レンズ系全体の
画角や開口数に拘らず各音響レンズへ入射する音束の太
さや角度はまちまちとなるので、レンズの位置に応じて
先に解析したところにしたがって各面の曲率半径の大小
関係を検討する必要がある。しかし、少なくとも最も入
射側のレンズに関しては、開口数、画角両者を大きくす
るためには上記の条件を満足することが非常に好まし
い。また、多数の音響レンズからなるレンズ系の場合に
は、音束絞りに向かって凹となる面の曲率半径の平均値
をR_O、音束絞りに向かって凸となる面の曲率半径の平均
値をR_Tとしたとき、 R_O＜R_T ……（26） なる関係を満足するように各面の曲率半径を定めれば良
い。これはより一般的には以下のようにいうことができ
る。すなわち、音束絞りに向かって凹の面および凸の面
の屈折力を入射側から順に夫々P_Oi、P_Tj、その面の開口
絞りからの距離を夫々d_Oi、d_Tjの絶対値をとするとき、 ΣP_Oid_Oi＞ΣP_Tjd_Tj ……（27） なる条件を満足することである。これは絞りに向いた凹
面の屈折力のウエイトを高くすることに他ならない。

なお、上で第７図について述べたことは、第５図のよ
うにレンズの中央部を取り除いた場合にもそのまま通用
することである。第７図のタイプとは要するに物点、像
点に向いた面がその反対側の面よりも曲率が強いタイプ
ということである。

（６）反射防止 次に音響レンズの表面における音波の反射防止につい
て説明する。音響レンズの表面では全反射とは別に周囲
の媒質との音響インピーダンスの差による反射波が発生
し、これがノイズの原因となる。このため、できるかぎ
り表面反射を小さくすることが必要である。このために
音響レンズの表面に単層または多層からなる反射防止膜
を設ける。レンズ媒質の音響インピーダンスをZ_L、音響
レンズの周囲の媒質の音響インピーダンスをZ_W、反射防
止膜の音響インピーダンスを該膜が複数の層からなる場
合は音響レンズの近い側の層から順にZ₁、Z₂、・・とす
れば、各層の厚さをλ/4として（λは使用される超音波
の波長）以下の関係が成立する。

各反射防止膜の材料としてはポリエチレン、ポリイミ
ド、PVDF、ポリエステル、エポキシにタングステンなど
の粉末を混ぜたものがあげられる。これらの合成樹脂を
レンズ表面に熱圧着、高周波融着、塗布、注型などの方
法を用いて接着すれば良い。各反射防止膜の厚さがちょ
うどλ/4となる周波数で完全に音響インピーダンスがZ_W
からZ_Lに変換されるが、この周波数から外れるにしたが
って完全にマッチングが取れなくなり反射率が増加して
いく。反射防止膜を多層にするに伴い反射率の小さい周
波数帯域が広くなる。超音波装置ではいわゆる距離分解
能（物体の前後の位置を判別する能力）を改善するため
に広い周波数帯域を持った超音波パルスを使用する必要
があるため、反射防止膜を設けることは単に音束のロス
を防ぐという以上の重要な意味を持つことである。ポリ
スチレンを素材とする音響レンズを水中で使用するとい
う条件下で反射防止膜を単層にした場合の具体例をあげ
ると、Z_L（ポリスチレン）＝2.39×10⁶（kz/m²s）、Z_W
（水）＝1,52×10⁶（kg/m²s）であるから上式よりZ₁＝
1.91×10⁶（kg/m²s）となる。ポリエチレンはZ₁＝1.92
×10⁶（kg/m²s）という値を持つからこれを使用される
超音波の中心周波数の波長の1/4の厚さのシートにして
レンズ表面に熱圧着または接着剤にて接着すれば良い。

なお、反射防止膜の接着を容易にする上では各レンズ
面の曲率半径はなるべく大きいことが望ましい。

（７）迷音の除去 最後に迷音の除去について説明する。ここで迷音とい
うのは通常音響レンズの表面での反射などにより生じ、
本来の結像に与る音線とは別の経路を通って検出素子に
到達する音線のことである。このような音線は検出すべ
き信号に対するノイズとなるので、迷音の除去は超音波
装置のS/N比を向上させるために重要なことである。

迷音を除去する方法としては （ａ）音響レンズの表面、側面などで反射波を生ずる虞
のある音線をレンズ系に入射する前に予め除去する （ｂ）レンズ系中での音波の反射を少なくする （ｃ）レンズ系中で発生した迷音を像面に到達する前に
除去する。

などが考えられる。この内（ａ）に関しては第10図に示
すように、レンズ系の入射側に吸音材などの音波を反射
しない物質で構成された迷音絞り14を設けることが効果
的である。一方、（ｂ）に関しては先に述べた反射防止
膜も寄与するが、更に第10図に示すように各音響レンズ
の側面に吸音材15、16を設けてこの面で迷音の発生を減
らすことができる。更に（ｃ）に関しては、レンズ系の
音束絞り８や射出側に設けた迷音絞り17が効果的に機能
する。

〔実施例〕

各実施例では非球面が使用されているが、これはレン
ズ系の軸に沿ってｘ軸、これに垂直にｙ軸をとりｘ軸と
非球面との交点を原点としたとき以下の式で表わされる
ものである。

ただし、Ｃはこの非球面の軸上の曲率、Ｐは円錐係
数、A_2jは2j次の非球面係数である。A_2jが全て０の場合
は上式は球面を表わす。

実施例１ ｆ＝81.27 F/2.8 ω＝７゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝−49.5606（＊） d₁＝7.7492 n₁＝0.6696 r₂＝∞（開口絞り） d₂＝7.7492 n₂＝0.6696 r₃＝49.5606（＊） d₃＝150 n₃＝１ r₄＝∞（像） P⁽¹⁾＝0.5515 A_2i ⁽¹⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） P⁽³⁾＝0.5515 A_2i ⁽³⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.1079 実施例２ ｆ＝77.91 F/1.64 ω＝4.6゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝−49.5606（＊） d₁＝3.7529 n₁＝0.6696 r₂＝∞（開口絞り） d₂＝3.7529 n₂＝0.6696 r₃＝49.5606（＊） d₃＝150 n₃＝１ r₄＝∞（像） P⁽¹⁾＝0.5516 A_2i ⁽¹⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） P⁽³⁾＝0.5516 A_2i ⁽³⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.1032 実施例３ ｆ＝76.48 F/1.64 ω＝4.6゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝−49.5606（＊） d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝∞ d₂＝1.4098 n₂＝１ r₃＝（開口絞り） d₃＝1.4098 n₃＝１ r₄＝∞ d₄＝1.0 n₄＝0.6696 r₅＝49.5606（＊） d₅＝150 n₅＝１ r₆＝∞（像） P⁽¹⁾＝0.5516 A_2i ⁽¹⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） P⁽³⁾＝0.5516 A_2i ⁽³⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.102 実施例４ ｆ＝99.02 F/3.28 ω＝９゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝∞ d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝50.054（＊） d₂＝35.6063 n₂＝１ r₃＝∞（開口絞り） d₃＝35.6063 n₃＝１ r₄＝−50.054（＊） d₄＝1.0 n₄＝0.6696 r₅＝∞ d₅＝150 n₅＝１ r₆＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.19761×10^-5 A₆ ⁽²⁾＝−0.15835×10^-10 A₈ ⁽²⁾＝−0.21668×10^-12 P⁽⁴⁾＝0.5516 A₄ ⁽⁴⁾＝−0.19761×10^-5 A₆ ⁽⁴⁾＝−0.15835×10^-10 A₈ ⁽⁴⁾＝−0.21668×10^-12 β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.13 実施例５ ｆ＝128.84 F/1.64 ω＝4.6゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝∞ d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝50.054（＊） d₂＝62.4276 n₂＝１ r₃＝∞（開口絞り） d₃＝62.4276 n₃＝１ r₄＝−50.054（＊） d₄＝1.0 n₄＝0.6696 r₅＝∞ d₅＝150 n₅＝１ r₆＝∞（像） P⁽²⁾＝−1.1465 A_2i ⁽²⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） P⁽⁴⁾＝−1.1465 A_2i ⁽⁴⁾＝０（ｉ＝1,2,・・） β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.169 実施例６ ｆ＝94.23 F/2.624 ω＝9.2゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝−210.6938（＊） d₁＝1.0 n₁＝0.762 r₂＝43.2951（＊） d₂＝29.7350 n₂＝１ r₃＝∞（開口絞り） d₃＝29.7350 n₃＝１ r₄＝−43.2951（＊） d₄＝1.0 n₄＝0.762 r₅＝210.6938（＊） d₅＝150 n₅＝１ r₆＝∞（像） P⁽¹⁾＝1.0 A₄ ⁽¹⁾＝−0.10332×10^-5 A₆ ⁽¹⁾＝−0.14884×10^-8 A₈ ⁽¹⁾＝ 0.12663×10^-11 P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.34938×10^-5 A₆ ⁽²⁾＝−0.12802×10^-8 A₈ ⁽²⁾＝ 0.66805×10^-12 P⁽⁴⁾＝1.0 A₄ ⁽⁴⁾＝ 0.34938×10^-5 A₆ ⁽⁴⁾＝ 0.12802×10^-8 A₈ ⁽⁴⁾＝−0.66805×10^-12 P⁽⁵⁾＝1.0 A₄ ⁽⁵⁾＝ 0.10332×10^-5 A₆ ⁽⁵⁾＝ 0.14884×10^-8 A₈ ⁽⁵⁾＝−0.12663×10^-11 β＝１ v₀/v₁＝0.762 PS＝0.1092 実施例７ ｆ＝94.917 F/3.28 ω＝9.2゜ r₀＝∞（物体） d₀＝150 n₀＝１ r₁＝−214.8905（＊） d₁＝1.0 n₁＝0.762 r₂＝43.1245（＊） d₂＝30.6147 n₂＝１ r₃＝∞（開口絞り） d₃＝30.6147 n₃＝１ r₄＝−43.1245（＊） d₄＝1.0 n₄＝0.762 r₅＝214.8905（＊） d₅＝150 n₅＝１ r₆＝∞（像） P⁽¹⁾＝1.0 A₄ ⁽¹⁾＝−0.14141×10^-5 A₆ ⁽¹⁾＝−0.84857×10^-9 A₈ ⁽¹⁾＝ 0.17072×10^-11 P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.36820×10^-5 A₆ ⁽²⁾＝−0.14204×10^-8 A₈ ⁽²⁾＝ 0.16844×10^-11 P⁽⁴⁾＝1.0 A₄ ⁽⁴⁾＝ 0.36820×10^-5 A₆ ⁽⁴⁾＝ 0.14204×10^-8 A₈ ⁽⁴⁾＝−0.16844×10^-11 P⁽⁵⁾＝1.0 A₄ ⁽⁵⁾＝ 0.14141×10^-5 A₆ ⁽⁵⁾＝ 0.84857×10^-8 A₈ ⁽⁵⁾＝−0.17072×10^-11 β＝１ v₀/v₁＝0.762 PS＝0.11 実施例８ ｆ＝126.03 F/3.677 ω＝14.5゜ r₀＝∞（物体） d₀＝190 n₀＝１ r₁＝∞（迷音絞り） d₁＝5.0 n₁＝１ r₂＝−136.0629（＊） d₂＝12.9965 n₂＝0.6696 r₃＝176.3437 d₃＝33.5424 n₃＝１ r₄＝∞（開口絞り） d₄＝23.0486 n₄＝１ r₅＝−77.0553 d₅＝12.9977 n₅＝0.6696 r₆＝287.8483（＊） d₆＝10.0 n₆＝１ r₇＝∞（迷音絞り） d₇＝188.259 n₇＝１ r₈＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝ 0.84461×10^-6 A₆ ⁽²⁾＝ 0.94866×10^-12 P⁽⁶⁾＝1.0 A₄ ⁽⁶⁾＝−0.18899×10^-6 A₆ ⁽⁶⁾＝−0.317×10^-10 β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.122 実施例９ ｆ＝128.08 F/2.872 ω＝13.5゜ r₀＝∞（物体） d₀＝160 n₀＝１ r₁＝∞（迷音絞り） d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝95.0930（＊） d₂＝28.491 n₂＝１ r₃＝∞ d₃＝1.0 n₃＝0.762 r₄＝94.6677（＊） d₄＝37.5238 n₄＝１ r₅＝∞（開口絞り） d₅＝37.5238 n₅＝１ r₆＝−94.6677（＊） d₆＝1.0 n₆＝0.762 r₇＝∞ d₇＝28.491 n₇＝１ r₈＝−95.0930（＊） d₈＝1.0 n₈＝0.6696 r₉＝∞（迷音絞り） d₉＝160 n₉＝１ r₁₀＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 P⁽⁴⁾＝1.0 A₄ ⁽⁴⁾＝−0.58491×10^-6 A₆ ⁽⁴⁾＝−0.24789×10^-9 A₈ ⁽⁴⁾＝ 0.32596×10^-13 P⁽⁶⁾＝1.0 A₄ ⁽⁶⁾＝ 0.58491×10^-6 A₆ ⁽⁶⁾＝ 0.24789×10^-9 A₈ ⁽⁸⁾＝−0.32596×10^-13 P⁽⁸⁾＝1.0 β＝１ v₀/v₁＝0.6696,0.762 PS＝0.145 実施例10 ｆ＝126 F/2.82 ω＝14.2゜ r₀＝∞（物体） d₀＝160 n₀＝１ r₁＝∞（迷音絞り） d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝78.2721（＊） d₂＝27.9934 n₂＝１ r₃＝−272.1705 d₃＝1.0 n₃＝0.6696 r₄＝∞ d₄＝31.7784 n₄＝１ r₅＝∞（開口絞り） d₅＝31.7784 n₅＝１ r₆＝∞ d₆＝1.0 n₆＝0.6696 r₇＝83.9282 d₇＝43.0056 n₇＝１ r₈＝−122.5614（＊） d₈＝1.0 n₈＝0.6696 r₉＝∞（迷音絞り） d₉＝151.05 n₉＝１ r₁₀＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.50262×10^-6 P⁽⁸⁾＝1.0 A₄ ⁽⁸⁾＝ 0.10253×10^-5 β＝１ v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.1512 実施例11 ｆ＝115.65 F/2.3 ω＝13.5゜ r₀＝∞（物体） d₀＝160 n₀＝１ r₁＝∞（迷音絞り） d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝86.8198（＊） d₂＝32.3569 n₂＝１ r₃＝−120.5843 d₃＝1.0 n₃＝0.6696 r₄＝∞ d₄＝33.1269 n₄＝１ r₅＝∞（開口絞り） d₅＝32.7272 n₅＝１ r₆＝∞ d₆＝1.0 n₆＝0.6696 r₇＝75.7517 d₇＝42.1819 n₇＝１ r₈＝−72.5114（＊） d₈＝1.5 n₈＝0.6696 r₉＝∞（迷音絞り） d₉＝90.848 n₉＝１ r₁₀＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.73163×10^-6 P⁽⁸⁾＝1.0 A₄ ⁽⁸⁾＝ 0.17805×10^-5 β＝0.7 v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.178 実施例12 ｆ＝95.4 F/1.9685 ω＝14゜ r₀＝∞（物体） d₀＝160 n₀＝１ r₁＝∞（迷音絞り） d₁＝1.0 n₁＝0.6696 r₂＝85.0（＊） d₂＝45.5005 n₂＝１ r₃＝−94.4515 d₃＝1.0 n₃＝0.6696 r₄＝∞ d₄＝22.2171 n₄＝１ r₅＝∞（開口絞り） d₅＝24.1421 n₅＝１ r₆＝∞ d₆＝1.0 n₆＝0.6696 r₇＝53.7640 d₇＝38.4016 n₇＝１ r₈＝−53.1737（＊） d₈＝1.5 n₈＝0.6696 r₉＝∞（迷音絞り） d₉＝56.335 n₉＝１ r₁₀＝∞（像） P⁽²⁾＝1.0 A₄ ⁽²⁾＝−0.11042×10^-5 P⁽⁸⁾＝1.0 A₄ ⁽⁸⁾＝ 0.49295×10^-5 β＝0.5 v₀/v₁＝0.6696 PS＝0.187 各実施例において、r₁、r₂・・は各レンズ面の曲率半
径、d₁、d₂・・は各レンズ面の間隔、n₁、n₂・・は各レ
ンズ面の間の媒質の屈折率である。曲率半径の後の
（＊）はその面が非球面であることを示している。ま
た、ｆはレンズ系全体の屈折率、F/はエフナンバ、ωは
半画角、P⁽ⁱ⁾は第ｉレンズ面の円錐係数、A_2j ⁽ⁱ⁾は第ｉ
レンズ面の2j次の非球面係数、βはレンズ系の結像倍
率、PSはレンズ系のペッツバール和である。

実施例１のレンズ形状を第11図、その収差図を第12図
に示す。この実施例は単レンズであり、両面が非球面に
なっている。画角が７゜とあまり大きくないので主とし
て球面収差を補正するために、非球面はレンズ系の軸を
長軸とする回転楕円面の一部になっている。レンズの媒
質はポリスチレンである。また、レンズの側面に設けた
溝18は音束絞りを設けるためのもので、この溝に吸音特
性の優れたシリコンゴムを充填することによりレンズ系
の開口を制限しかつ迷音を除去することができる。

次に、実施例２のレンズ形状を第13図、その収差図を
第14図に示す。実施例１と類似の構成であるがF/1.64の
大口径に亘って球面収差をとくに良好に補正したもので
ある。レンズ媒質はポリスチレンである。

次に、実施例３のレンズ形状を第15図、その収差図を
第16図に示す。この実施例は実施例２においてレンズ媒
質中での音波の減衰を少なくするためにレンズ系を２つ
のレンズに分けて肉厚を極力薄くし、中央部分を水で置
き換えたものである。レンズ媒質はポリスチレンであ
る。

次に、実施例４のレンズ形状を第17図、その収差図を
第18図に示す。この実施例は音束絞り８側に凹面を向け
その反対側が平面である１対のレンズからなるものであ
る。凹面はいずれも双曲面に近い形状を有し、球面収差
のみならず非点収差も充分に補正できるため、ω＝９゜
と画角を大きくとることができる。各レンズの肉厚は極
力薄くしてレンズ媒質内での音波の減衰を防いでいる。
また、レンズ同士の間隔を拡げることで凹面の屈折力を
小さくし、曲率半径をなるべく大きくできるようにして
いる。このため、凹面が双曲面に近いことと合わせてレ
ンズの肉厚が軸から離れた位置でも比較的薄くなり、音
波の減衰が非常に少ない形状となっている。レンズ媒質
はポリスチレンである。

次に実施例５のレンズ形状を第19図、収差図を第20図
に示す。この実施例は第４実施例においてF/1.64と開口
を大きくし、特に球面収差を良好に補正したものであ
る。画角はω＝4.6゜と狭いが高い解像力が得られる。
また、非球面は完全な双曲面になっている。レンズ媒質
はポリスチレンである。

次に、実施例６のレンズ形状を第21図、収差図を第22
図に示す。この実施例は実施例４では平面であった外側
の面に屈折力を持たせたもので、ある。レンズ媒質はTP
X004である。

次に、実施例７のレンズ形状を第23図、収差図を第24
図に示す。この実施例も実施例４では平面であった外側
の面に屈折力を持たせたもので、ある。レンズ媒質はTP
X004である 次に、実施例８のレンズ形状を第25図、収差図を第26
図に示す。この実施例では音束絞りに向かい合った凹面
は球面であり、絞りに向かって凸になる外側の面を非球
面としてこの非球面で僅かに像面の湾曲を補正したもの
である。またこのレンズ系では音束絞りのほかに入射側
および射出側に迷音絞りが設けられている。レンズ媒質
はポリスチレンである。

次に、実施例９のレンズ形状を第27図、収差図を第28
図に示す。この実施例は音束絞りに対して凹面をむけた
平凹レンズを音束絞りに対称に２枚ずつ設けたものであ
り、内側の２枚の凹面を非球面とすることにより球面収
差と非点収差を補正するようにしたものである。レンズ
系の全長が長くなるためレンズの外径も大きくなるが、
迷音絞りで軸外音束をカットし外径を制限している。レ
ンズ媒質は外側の２枚がポリスチレン、内側の２枚はTP
X004である。

次に、実施例10のレンズ形状を第29図、収差図を第30
図に示す。この実施例は音束絞りに対して凹面を向けた
レンズと平凹レンズと音束絞りに対して凸面を向けたレ
ンズと平凹レンズとを組合わせたものであり、外側の２
枚のレンズの凹面に非球面を導入することにより、球面
収差と非点収差とを補正したものである。このために、
この実施例では条件（27）を満足するように各面の曲率
半径を選んである。なお、図中の19はレンズを保持する
レンズ枠である。この枠自体をシリコンゴムなどの吸音
特性の優れた材料で構成することによりレンズの側面以
外の部分からの音波の反射も少なくなるため、ノイズ減
少の効果がある。レンズ媒質はポリスチレンである。

次に、実施例11のレンズ形状を第31図、収差図を第32
図に示す。実施例１ないし10はいずれも結像倍率が−１
×のものであったが、この実施例は結像倍率が−0.7×
となっている。各レンズの形状や非球面の使い方は実施
例10と同様である。レンズ媒質はポリスチレンである。

最後に、実施例12のレンズ形状を第33図、収差図を第
34図に示す。この実施例は実施例10と同様のレンズ形状
で結像倍率を−0.5×にしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、画角や開口数を大きくした場合にも
諸収差が良好に補正できるため、特に２次元的な大きさ
を有する物体像を得ようとする超音波装置の対物レンズ
として好適な音響レンズを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は音波の屈折の法則を説明するための図、第２図
ないし第４図は音響レンズにおける音線の入射状態を示
す図、第５図は音波の減衰が少ない音響レンズの構成を
示す図、第６図は音響レンズにおいて発生する球面収差
およびペッツバール和の大きさを示すグラフ、第７図な
いし第９図は音響レンズに用いられる非球面の形状を示
す図、第10図は迷音絞りおよび吸音材を設けた音響レン
ズの構成を示す図、第11図及び第12図は実施例１のレン
ズ形状および収差曲線図、第13図及び第14図は実施例２
のレンズ形状および収差曲線図、第15図及び第16図は実
施例３のレンズ形状および収差曲線図、第17図及び第18
図は実施例４のレンズ形状および収差曲線図、第19図及
び第20図は実施例５のレンズ形状および収差曲線図、第
21図及び第22図は実施例６のレンズ形状および収差曲線
図、第23図及び第24図は実施例７のレンズ形状および収
差曲線図、第25図及び第26図は実施例８のレンズ形状お
よび収差曲線図、第27図及び第28図は実施例９のレンズ
形状および収差曲線図、第29図及び第30図は実施例10の
レンズ形状および収差曲線図、第31図及び第32図は実施
例11のレンズ形状および収差曲線図、第33図及び第34図
は実施例12のレンズ形状および収差曲線図、第35図は従
来の超音波装置の構成の概略を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−50945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−58697（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−3327（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10K 11/30 G01N 29/04 504 G03B 42/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体より発する音波を結像させるための音
   響レンズ系において、 音束絞りに対して凹面を向けたレンズと音束絞りに対し
   て凸面を向けたレンズとを、音束絞りの物体側及び像側
   に、前記音束絞りに対して凹面を向けたレンズが前記音
   束絞りから遠い位置になるようにそれぞれ配置し、 前記音束絞りに対する凹面が非球面であることを特徴と
   する音響レンズ系。
2. 【請求項２】物体より発する音波を結像させるための音
   響レンズ系において、 該レンズ系を構成する音響レンズの少なくとも１つの面
   を非球面とし、 前記音響レンズ系は内部に音束絞りを備えており、 前記非球面が該音響レンズ系の軸から離れるにつれて曲
   率が緩くなるような形状を有し、 以下の条件を満足することを特徴とする音響レンズ系。 ΣP_Oid_Oi＞ΣP_Tjd_Tj ただし、P_Tj、P_Oiは夫々前記音響レンズ系を構成する各
   音響レンズの前記音束絞りに対して凸の面、凹の面の屈
   折力、d_Tj、d_Oiは夫々各面の前記音束絞りからの距離で
   ある。
3. 【請求項３】物体より発する音波を結像させるための音
   響レンズ系において、 該レンズ系を構成する音響レンズの少なくとも１つの面
   を非球面とし、 前記音響レンズ系は内部に音束絞りを備えており、 前記非球面が該音響レンズ系の軸から離れるにつれて曲
   率が緩くなるような形状を有し、 以下の条件を満足することを特徴とする音響レンズ系。 R_O＜R_T ただし、R_T、R_Oは夫々前記音響レンズ系を構成する各音
   響レンズの前記音束絞りに対して凸の面、凹の面の曲率
   半径の平均値である。