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光照射による超音波の発生

パルスレーザ光を対象物に照射し、対象物の内部にある吸収体が光エネルギーを吸収し、温度上昇により体積膨張して生じる超音波を多数の超音波センサで検出します。
光から超音波へと変わる過程では、光イメージングと同様に、吸収体の色の特徴（吸収特性）を画像情報として得ることができます。
従来の光イメージングでは難しかった高深度での可視化を、生体を伝播できる超音波に変えることで、より深い部分でも高い空間分解能を保ち鮮明に可視化することができます。

再構成・三次元化

三次元画像を得るために、パルスレーザ光を吸収し発生した超音波を吸収体に面して配置した多数のセンサで受信します。レーザの発光タイミングと受信までの時間から、吸収体から発生した超音波の各センサへの到達時間を計算します。
この到達時間・各超音波センサの位置情報・対象物の伝播速度から、逆投影法（画像再構成）による吸収体の三次元化が可能となります。
発生した超音波の波形には、吸収体の形状が反映されています。吸収体の形状が小さいと、発生した超音波の波形は時間軸幅の狭い波形になります。形状が大きいと時間軸幅の広い波形になります。このような波形情報を利用して、吸収体のサイズが計測できます。

色の可視化

光超音波イメージングでは、吸収体の光学特性に対応した波長のパルスレーザ光を複数組み合わせて照射することで、吸収体の色の特徴（吸光特性の違い）を可視化できます。
例えば、吸収体としてのヘモグロビンは、酸素飽和度の違いにより光の吸収スペクトルが異なります。その違いに着目し、ヘモグロビンの酸素飽和度に合わせた２つの波長（例えば、756nmと797nm）のパルスレーザ光を照射すると、各波長で発生する著音波強度が異なります。この超音波強度比を画像化することで、ヘモグロビンの色の違い、つまり生体内の血液の酸素飽和度をイメージングすることができます。