JP2009008393A - Optical image measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光画像計測装置、更に詳細には、光源からの光ビームを計測対象物体に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層情報を取得する光画像計測装置に関する。 The present invention relates to an optical image measurement device, more specifically, to irradiate a measurement target object with a light beam from a light source, and to detect and perform image processing on reflected light from the target object using an optical interference phenomenon. The present invention relates to an optical image measurement device that acquires tomographic information of a target object.
従来から、レーザー光源その他の光源を用いて計測対象物体の3次元的な表面形状、あるいは試料内部の断層情報を計測する装置が数多く知られている。例えば、共焦点の光学顕微鏡によれば、通常の光学顕微鏡よりも深さ方向の分解能を向上可能であり、微細な試料表面の形状構造を観察および計測できることが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, many apparatuses that measure a three-dimensional surface shape of a measurement target object or tomographic information inside a sample using a laser light source or other light sources are known. For example, it is known that a confocal optical microscope can improve resolution in the depth direction as compared with a normal optical microscope, and can observe and measure a fine sample surface shape structure.
例えば、下記特許文献1には、共焦点光学系の技術の一つとして、レーザー光源からの光ビームを、ピンホールアレイの回転ディスクを介して試料物体上に照明し、試料からの反射光を、再度回転ディスクを介して検出するという光学顕微鏡の基本的な構成が開示されている。
For example, in
特許文献2には、レーザー光源からの光ビームを、ピンホールディスクを介して試料上に走査し、測定試料からの反射光と参照ミラーからの参照光とによって発生した干渉光を検出する構成が開示されている。この文献では、測定試料と対物レンズの間の距離を変えることによって、干渉信号が最大光量となる位置から、試料表面の3次元的な形状を精密に計測できる可能性が示唆されている。
一方、近年、低干渉性の光ビーム(部分的コヒーレント光)の干渉現象を利用した光断層計測装置(Optical Coherence Tomography:OCT)が注目されている。OCTによれば、非接触非侵襲に、計測対象物体の所定の断層画像を観察および計測可能であり、医学や生物学、あるいは産業分野における検査装置として応用され始めている。 On the other hand, in recent years, optical coherence tomography (OCT) using an interference phenomenon of a low-coherence light beam (partial coherent light) has attracted attention. According to OCT, it is possible to observe and measure a predetermined tomographic image of an object to be measured in a non-contact non-invasive manner, and it has begun to be applied as an inspection apparatus in medicine, biology, or the industrial field.
例えば、特許文献3には、初期のOCTとして、照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する手段と、測定対象物体からの反射光を参照光との間で合成して出力されるビート成分を検出することで、対象物体の反射断層像を画像化する構成が示されている。 For example, in Patent Document 3, as an initial OCT, a beat that is output by synthesizing a reference light in which the frequency of irradiation light is shifted and a reflected light from a measurement target object is output. A configuration in which a reflection tomographic image of a target object is imaged by detecting a component is shown.
特許文献4には、短コヒーレンス長の特性を有する光源と、光ファイバーを用いた干渉計と位相変調手段、横方向走査機構、超音波光変調素子、光路長の移動制御手段等を有するOCTの構成が開示されている。この文献では、光ファイバーを介して導かれる干渉光を検出処理することにより、光ファイバーによる共焦点効果も含めて、サンプル試料の断層像を効果的に検出するための基本的な技術が開示されている。 Patent Document 4 discloses a configuration of an OCT having a light source having a characteristic of a short coherence length, an interferometer using an optical fiber, a phase modulation unit, a lateral scanning mechanism, an ultrasonic light modulation element, a movement control unit for an optical path length, and the like. Is disclosed. This document discloses a basic technique for effectively detecting a tomographic image of a sample specimen including a confocal effect by an optical fiber by detecting interference light guided through the optical fiber. .
特許文献5には、低干渉性の光を発生する光源と光ファイバー干渉計を用いた光断層観察装置を、干渉計の光路の一つを介して内視鏡や体腔鏡等の端部の構造と巧みに組み合わせる構成が開示されている。この文献には、体腔内に挿入する内視鏡等の利用によって、従来の観察装置として備えられたCCD等による2次元的な反射像と共に、干渉計を介して得られる干渉信号の検出処理によって患部組織の深さ方向の断層像を画像化できる技術が示されている。
特許文献6には、光周波数の掃引が可能な半導体レーザー光源と、マイケルソン型干渉計と、1次元または2次元の撮像素子とを備え、光周波数の掃引期間中に出力された画像信号をフーリエ変換処理して断層画像を算出する構成が開示されている。この方式では、光軸方向の機械的な移動を伴う走査機構が不要となり、安定な干渉光学系を構成できると共に、短時間での測定が可能になるというメリットのあることが示されている。
特許文献7には、光ビームを参照アームと測定アームとに分割し、測定アームを介した測定光が参照アームを介した参照光との間で干渉して現れる光の強度を、分光器を介して検出する構成が開示されている。参照アームには、光の位相を変化させる手段が付加され、分光器からの信号を分析処理することにより、透明、一部透明および不透明物体等に対して光学的な断層撮影を行う構成が示されている。
In
特許文献8には、光源からの光ビームを、測定対象となる被検体を経由する信号光路と、所定の反射鏡を経由する参照光路に分割すると共に、干渉光学系は検出光を二分割して受光するためのCCDセンサを二つ備え、かつ二分割された干渉光を周期的に遮断して受光する方式が開示されている。二つのCCDセンサは、位相の異なる干渉光パルスを受光して、かつ簡単な信号処理を介することで、被検体の内部層の画像情報が得られる構成が示されている。
In
特許文献9には、光源からの光ビームを、測定対象となる被検体を経由する信号光路と、所定の反射鏡を経由する参照光路とに分割すると共に、干渉光学系は検出光を三分割して受光するためのCCDセンサを三つ備えて受光する方式が開示されている。三つのCCDセンサは、位相の異なる干渉光パルスを受光して、かつ簡単な信号処理を施すことで、被検体の内部層の画像情報が得られる構成が示されている。
In
特許文献10には、干渉計を利用したOCT装置において、時間的に位相が異なる複数の干渉画像を発生させる手段と、複数の干渉画像を高速スイッチングにより切り出す手段とを備え、これら複数の切り出した干渉画像をCCD等のイメージセンサで検出して、複数の画像間の演算を行うことにより断層画像を計測する装置が開示されている。
しかしながら、特許文献1に示された構成では、干渉計を利用していないために、OCTのような試料内部の断層観察には、そのまま適用することが出来ない。一方、特許文献2に示された構成では、干渉計は含まれているものの、光源の低コヒーレンス性を利用しておらず、また、試料内部の散乱に関わる背景光の処理を行っていない等の理由により、OCTのような試料内部の断層観察と計測に応用することは不可能である。
However, since the configuration shown in
特許文献3〜文献5に示された構成では、「タイムドメイン法」と呼ばれる基本的なOCTの方式を開示している。これらの構成では、観察対象物の深さ方向の走査は参照光に対する反射ミラーの光軸方向の移動制御によって行っているために、観察対象物に向かう照射光のフォーカス状態を断層画像の全域に渡って最適に維持することが出来ず、光軸(深さ方向)と直交する面内方向の高解像力化が困難である。 The configurations shown in Patent Documents 3 to 5 disclose a basic OCT method called “time domain method”. In these configurations, since the scanning of the observation target in the depth direction is performed by controlling the movement of the reflection mirror in the optical axis direction with respect to the reference light, the focus state of the irradiation light directed toward the observation target is applied to the entire tomographic image. It cannot be maintained optimally across the board, and it is difficult to achieve high resolution in the in-plane direction perpendicular to the optical axis (depth direction).
特許文献6に示された構成では、「スウェプトソース法」と呼ばれる光源の波長掃引を用いたOCTの方式を開示している。この方式では、光の周波数を所望の範囲にわたって安定的に制御可能な特殊なレーザー光源が必要であり、この種の光源は品種や波長も限られており、光源自体が高価になるという問題がある。
The configuration disclosed in
特許文献7に示された構成では、「スペクトラルドメイン法」と呼ばれる分光型の検出器を用いたOCTの方式を開示している。この方式は、数値的な演算処理に基づき断層画像情報を抽出するため、深度方向のメカニカルな走査が不要というメリットはあるものの、深度方向の測定範囲が分光器の特性によって制限されるという難点があり、また深度方向とは直交する方向の解像力を向上させ難いという問題がある。
The configuration disclosed in
特許文献8〜文献10に示された構成では、検出器に2次元撮像素子を用いたOCTの新しい方式を開示している。この方式では、生体等の強い散乱体を観察した場合に、検出器に直流成分として重畳する強い背景光の存在によって撮像素子が飽和してしまい、断層情報を有する信号成分の諧調性を向上させ難いという問題がある。また、特許文献8に示された構成では二つのCCD素子に関して、及び特許文献9に示された構成では三つのCCD素子に関して、それらの間の厳密な位置合わせが難しいという問題がある。更に、特許文献10の構成では、光源の利用効率が悪く、実用化には高価で特殊なスイッチング光源その他の構成が必要になるという問題がある。
The configurations disclosed in
従って、本発明の課題は、上述の問題点を解決するために案出されたものであり、従来方式よりも低価格で簡単な装置構成を用いて、観察対象物体の断層像を、高い解像力とコントラストを持って観察し、計測にも応用可能な実用性の高い光画像計測装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention has been devised to solve the above-described problems, and a tomogram of an observation target object can be obtained with a high resolving power by using a simpler device configuration at a lower price than the conventional method. It is to provide a highly practical optical image measuring device that can be observed with contrast and can be applied to measurement.
本発明(請求項1)は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
The present invention (Claim 1)
Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels toward a predetermined reference optical path;
Two-dimensional imaging means for detecting interference light synthesized between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the reference light path;
Signal processing means for acquiring reflection intensity information inside the target object from the video signal output from the two-dimensional imaging means;
It is provided with.
また、本発明(請求項3)は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
The present invention (Claim 3)
Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels toward a predetermined reference optical path;
Light modulating means for periodically phase-shifting the reference light in the reference light path;
Two-dimensional imaging means for detecting interference light synthesized between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the light modulation means;
Signal processing means for extracting phase information of interference light corresponding to light modulation by the light modulation means from the video signal output from the two-dimensional imaging means to obtain tomographic image information of the target object;
It is provided with.
また、本発明(請求項8)は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路に向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記ピンホール手段に再度通過させるための光学手段と、
前記ピンホール手段を通過した干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
The present invention (Claim 8)
Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels along a predetermined reference optical path;
Light modulating means for periodically phase-shifting the reference light in the reference light path;
Optical means for allowing the interference light combined between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the light modulation means to pass again through the pinhole means; ,
Two-dimensional imaging means for detecting interference light that has passed through the pinhole means;
Signal processing means for extracting phase information of interference light corresponding to light modulation by the light modulation means from the video signal output from the two-dimensional imaging means to obtain tomographic image information of the target object;
It is provided with.
本発明の構成によれば、ニポウディスクによる光ビーム走査手段と2次元撮像手段を利用しているので、干渉光学系を簡単に実現することができ、電気的な制御や検出信号の処理も容易である。特に、ニポウディスク型の光ビーム走査手段は、ガルバノミラー等を用いたシステムと比較して、光学系を折り返す必要がなく直線的で単純な光路構成によって調整の手間を削減できると共に、量産時にはディスク部品を低価格に製造できるために、装置全体の価格を低減することができる。 According to the configuration of the present invention, since the light beam scanning means and the two-dimensional imaging means using the Niipou disk are used, the interference optical system can be easily realized, and electrical control and detection signal processing are also easy. is there. In particular, the Nipkow disk-type light beam scanning means can reduce the adjustment effort with a straight and simple optical path configuration without the need to fold the optical system, compared to a system using a galvanometer mirror, etc. Can be manufactured at a low price, so that the price of the entire apparatus can be reduced.
また、本発明の構成によれば、共焦点光学系と低コヒーレンス干渉計の効果を合わせ持つことも可能で、解像力が高く、背景ノイズが少なく、諧調性とコントラストの高い断層画像(光軸に垂直な断面像)を撮像素子の出力画像に基づき取得することが可能である。この特性を活かして、測定サンプルまたは参照ミラーを深度方向に移動させながら断面画像を複数枚収集して、画像処理を施すことにより、観察対象物体内部の3次元的な画像情報(3D画像)を取得することも可能である。 In addition, according to the configuration of the present invention, it is possible to combine the effects of a confocal optical system and a low coherence interferometer, a tomographic image with high resolving power, low background noise, high gradation and contrast (on the optical axis). It is possible to acquire a vertical cross-sectional image) based on the output image of the image sensor. Taking advantage of this characteristic, three-dimensional image information (3D image) inside the observation target object is obtained by collecting a plurality of cross-sectional images while moving the measurement sample or the reference mirror in the depth direction and performing image processing. It is also possible to obtain.
更に将来的に、2次元撮像素子をより高精細で高感度、かつ、より高速なものに変更すれば、簡単に装置のバージョンアップも実現できるという、極めて実用的かつ経済的な光画像計測装置を実現することができる。 In the future, if the two-dimensional image sensor is changed to a higher-definition, higher-sensitivity, and higher-speed one, the version of the apparatus can be easily upgraded. Can be realized.
以下に、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。 In the following, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
図1において、符号1で示すものは、スペクトルの広い高輝度の赤外線を発生するキセノンランプやハロゲンランプ等の白熱光源、または高輝度の発光ダイオード(Super Luminescent Diode:SLD)等の半導体光源であり、断層画像を観察するために必要な低干渉性(少しの干渉性)を有する光源である。光源1からの光ビームは、レンズ2を介して、光ファイバー3の入射端面3aに入射する。光ファイバー3は、例えばコア系が数百ミクロンから数ミリメーター程度のマルチモード光ファイバーである。
In FIG. 1,
光ファイバー3を伝達した光ビームは、ファイバーの端面3bから射出し、レンズ4、絞り5、レンズ6等を介して、ニポウディスク7の表面上を照明する。これらのレンズと絞りを介したニポウディスク7への照明光学系は、照明領域での明るさが均質になるように、例えばケーラー照明の様式となるように設計されている。
The light beam transmitted through the optical fiber 3 is emitted from the end face 3b of the fiber, and illuminates the surface of the
ニポウディスク7は、ステンレスの薄板等からなる金属円盤の所定部位に、直径が数十ミクロンから百ミクロン程度以下の微細なピンホールが、数百ミクロン間隔で、所定の配列で総数にして1万個から2万個程度設けられており、光ビームを走査するためのピンホール手段を構成している。ニポウディスク7は、光源1からの光ビームの通過面で、計測対象物体18の測定面と共役な面に配置され、モーター8に回転軸8aを介して接続されていて、所定の速度で回転する。ニポウディスク(回転ディスク)7は、その回転とピンホールの配列に応じて光源1からの光ビームを走査する。このニポウディスクを通過することによって、光源からの光ビームは、空間的な可干渉性を向上させることが可能になる。
The
ニポウディスク7を通過した光ビームは、レンズ9と、ミラー10を介した後、光分割部材として機能するビームスプリッター(BS)12に入射する。ビームスプリッター12の位置において、光路は、光源側の光路11a、参照光路11b、探索光路11c、及び検出光路11dの4つの方向に分割されている。
The light beam that has passed through the
参照光路11bを進む光ビームは、NDフィルター13とレンズ14を介して、光路に垂直な平面ミラー(参照ミラー)15に到達し、そこで反射される。ミラー15は、圧電素子(圧電振動子)16に接続されており、この振動子は例えば60Hz程度の低周波で光軸方向(矢印16aの方向)にミラー15を移動させ、光ビームの周期的な位相シフトを行なうものである。これらの平面ミラーと圧電振動子は、参照光路における参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段を構成している。また、参照光の光路11bは、探索光路11cと比較して、光路長を同等にする必要があり、ビームスプリッター12から参照ミラー15までの距離は、参照光の光路11bと探索光路11cの各光路長が同等になるように、必要に応じて適宜設定される。
The light beam traveling in the reference optical path 11b reaches the plane mirror (reference mirror) 15 perpendicular to the optical path via the
一方、探索光路11cを進む光ビームは、レンズ17を介して、計測対象物体18の所定部位に結像される。計測対象物体18は、ステージ19の上に設置されており、このステージ19は、ステッピングモーター20の作用によって光軸方向に矢印19aで示したように移動可能となっている。すなわち、ステージ19とモーター20は、測定サンプルの深度方向の走査を行うためのものであり、ステージ19の光軸方向の移動により探索光路の光路長が可変となり、計測対象物体18の3次元的な断層画像情報が取得可能となる。
On the other hand, the light beam traveling on the search optical path 11 c is imaged on a predetermined part of the measurement target object 18 via the
なお、この図1の実施例では、観察対象物体18として、摘出された生物組織等の生体試料、あるいは食品や植物のサンプル、高分子性工業用部品等、光に対してある程度の透過性を示すものであれば任意の観察対象を想定している。 In the embodiment of FIG. 1, the observation target object 18 has a certain degree of light permeability, such as an extracted biological sample such as a biological tissue, a food or plant sample, a polymer industrial component, or the like. Any observation target is assumed as long as it is shown.
計測対象物体18からの反射光は、レンズ17を介してビームスプリッター12を通過し、参照光路11bから戻って来る参照光と合成され、検出光路11dにおいて干渉光が発生する。この干渉光は、検出光としてレンズ21を介して、2次元撮像素子(CCDカメラ等の2次元撮像手段)22の撮像面上に結像される。
The reflected light from the measurement target object 18 passes through the
撮像素子22からの映像信号は、信号処理回路23に送られる。信号処理回路23は、内部に映像信号の対数増幅回路、フィルター回路、A/Dコンバーター、その他各種の演算処理回路等を含んでおり、そこで処理され生成された出力信号が、コンピューター(Personal Computer:PC)24に送られる。
The video signal from the
PC24は、光学系の動作全般を制御すると共に、撮像素子22と信号処理回路23を介して得られる映像信号に対して更に処理を加えることができる。信号処理回路23あるいはそれにPC24を含めた回路が、対象物体内部の反射強度情報を取得し、あるいは対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段を構成している。
The
PC24を介して、反射強度情報あるいは断層画像を液晶テレビモニター等の表示装置25に転送して表示を行い、必要に応じて、記憶装置26に転送して記憶をさせる等の制御を行うこともできる。
図2は、図1のシステムにおいて使用されるニポウディスクの構造を示した説明図である。ニポウディスク7は、モーターの回転軸8aを中心に所定の速度で所定方向(矢印8bの方向)に回転可能なものであり、例えば、観察範囲に対応する通過領域27の一部を拡大して見ると、領域28に示したように、所定の大きさの微細な穴(ピンホール)29が整列的に設けられている。このディスク上のピンホール29は、直径が数十ミクロンから百ミクロン以下の大きさに加工されており、数百ミクロン間隔で、総数にして1万個から2万個程度以上開けられたものである。
Via the
FIG. 2 is an explanatory view showing the structure of a Niipou disk used in the system of FIG. The
これらのピンホールの穴加工は、所定の金属板にフォトエッチング技術等を利用して、量産時には低価格に実現することができる。また、ピンホールの配列法は、例えば、等ピッチな螺旋状配列30として設計製造することによって、照明むらや走査のむらを極小化できることは、当該技術分野において公知である。 The drilling of these pinholes can be realized at a low cost during mass production using a photoetching technique or the like on a predetermined metal plate. In addition, it is well known in the art that the pinhole arrangement method can minimize illumination unevenness and scanning unevenness by designing and manufacturing, for example, a spiral array 30 having an equal pitch.
図1のような光学系においては、光源からの光ビームは、ニポウディスク7を通過することによって、ニポウディスクの回転とそのピンホールの配列に応じて計測対象物体18の測定面上で走査され、そのピンホール効果により、空間的な可干渉性を向上させることが可能になる。すなわち、図1の光学系では、ニポウディスク7を導入したことによって、当該ディスクを導入しなかった場合に比較して、撮像素子22によって観察される干渉縞の可視度が向上して、結果的に、断層画像情報の元となる干渉信号をより効率的に検出することが出来るようになる。
In the optical system as shown in FIG. 1, the light beam from the light source passes through the
一般的に、OCTによって人の生体組織や生物試料等の拡散性の強い物体を観察した場合、背景光として重畳する直流成分(DC成分)の影響により、検出される干渉縞のコントラストは低く、断層像の信号成分(AC成分)は、DC成分に比較して桁違いに小さくなる場合が多い。このDC成分の影響は、2次元撮像素子からの映像信号に関して、フレーム間での演算を行うことによって取り除くことができる。すなわち、撮像素子から得られるフレーム画像について、例えば、隣接するフレーム画像間での引き算を行えば、不要なDC成分は除去されると共に、対象物体の内部の断層画像情報は、AC成分として抽出される。 In general, when a highly diffusive object such as a human biological tissue or biological sample is observed by OCT, the contrast of the detected interference fringes is low due to the influence of the direct current component (DC component) superimposed as background light, The signal component (AC component) of the tomographic image is often orders of magnitude smaller than the DC component. The influence of the DC component can be removed by performing computation between frames on the video signal from the two-dimensional image sensor. That is, with respect to the frame image obtained from the image sensor, for example, if subtraction between adjacent frame images is performed, unnecessary DC components are removed, and tomographic image information inside the target object is extracted as AC components. The
上述の概念を、より分かり易く簡単な数式を用いて説明すると、以下のとおりである。例えば、2次元撮像素子22(図1参照)において、連続的に出力される画像のフレーム(一例として3つのフレーム)で検出される干渉縞の信号は、簡易的に、以下のように記述できる。 The above concept will be described below using simple mathematical expressions that are easier to understand. For example, in the two-dimensional image pickup device 22 (see FIG. 1), interference fringe signals detected in continuously output image frames (three frames as an example) can be simply described as follows. .
IF−1=ID+IA(−sinα)
IF =ID+IA(cosα)
IF+1=ID+IA(sinα)
ここで、IF−1 、IF 、IF+1はそれぞれ隣接するフレームにおける代表画素での信号強度、IDは直流成分、IAは交流成分(断層像の信号成分)、αは干渉縞の位相である。上述の式では、隣接するフレーム間での干渉縞の位相差が、互いに90度であることを想定しており、このような条件は、光変調手段の駆動波形を深度走査手段の走査速度に応じて適切に設定することで、画像空間において局所的に実現できる。
I F-1 = I D + I A (-sinα)
I F = I D + I A (cos α)
I F + 1 = I D + I A (sin α)
Here, I F-1, I F , the signal strength of the representative pixel in the frame adjacent each I F + 1 is, I D is the DC component, I A is the AC component (signal component of the tomographic image), alpha is the fringe It is a phase. In the above formula, it is assumed that the phase difference of interference fringes between adjacent frames is 90 degrees with each other. Such a condition is obtained by changing the drive waveform of the light modulation unit to the scanning speed of the depth scanning unit. Appropriately setting according to this can be realized locally in the image space.
実際の測定系においては、通常、ID ≫IA、すなわち直流成分は、求めようとする信号成分よりも圧倒的に大きい場合が多い。ここで例えば、一例として、以下のような計算を行う。 In an actual measurement system, I D >> I A , that is, the direct current component is usually overwhelmingly larger than the signal component to be obtained. Here, for example, the following calculation is performed as an example.
(IF − IF−1)2 = IA 2(1+2cosα×sinα)
(IF+1 − IF)2 = IA 2(1−2cosα×sinα)
従って、
(IF − IF−1)2 +(IF+1 −IF)2 =2IA 2
すなわち、フレーム間で引き算を行うことにより、不要な直流成分は確実に除去することができ、更に、3つのフレーム画像に関して加減算と乗算を含む簡単な計算を実行すれば、付随する位相項も排除することができる。
(I F - I F-1 ) 2 = I A 2 (1 + 2cosα × sinα)
(I F + 1 - I F ) 2 = I A 2 (1-2cosα × sinα)
Therefore,
(I F - I F-1 ) 2 + (I F + 1 -I F) 2 =
In other words, by subtracting between frames, unnecessary DC components can be reliably removed, and if a simple calculation including addition / subtraction and multiplication is performed on three frame images, the accompanying phase term is also eliminated. can do.
このような演算処理によって、結果的に、必要とする交流成分(信号成分)は、簡単に抽出することが可能である。特に、本発明構成によれば、ニポウディスクを用いた可干渉性の向上効果によって、撮像素子から得られる干渉縞由来の信号は、ニポウディスクがなかった場合に比較して、よりコントラスト良く得られるために、演算結果として得られる断層情報の精度向上という点で有利である。 As a result, the necessary AC component (signal component) can be easily extracted by such arithmetic processing. In particular, according to the configuration of the present invention, the interference fringe-derived signal obtained from the image pickup device can be obtained with a higher contrast than the case where there is no nipou disk due to the effect of improving the coherence using the nipou disk. This is advantageous in terms of improving the accuracy of the tomographic information obtained as a calculation result.
実用的には、上述したフレーム間の引き算を含む演算は、図1の信号処理回路23の内部において、映像信号をA/D変換した後に、デジタルメモリーと引き算回路等を利用して、簡単かつ高精度に実行可能である。このようなデジタル処理の後に、更にDSP等の信号処理回路を介することによって、更にノイズの低減や画質の改善を考慮した、より複雑な演算を実行することも可能であり、極めて高精度に対象物体内部の反射強度情報を抽出することができる。
Practically, the calculation including the subtraction between the frames described above is simple and simple by using a digital memory and a subtraction circuit after A / D conversion of the video signal in the
図3は、本発明の他の実施例として、図1の光学系とは異なるシステムの構成を示したものである。図3においては、図1の構成要素と同等の光学要素には、共通の符号を付けて示しており、その詳細な説明は省略する。以下、図1との相違点について主に説明する。 FIG. 3 shows a configuration of a system different from the optical system of FIG. 1 as another embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same optical elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Hereinafter, differences from FIG. 1 will be mainly described.
断層像観察用の光源1からの光ビームは、光ファイバー3を介して伝達され、レンズ4、絞り5、レンズ6等によって、ニポウディスク7の表面上に照射される。ニポウディスクを通過した光ビームは、ビームスプリッター12において参照光の光路11bと探索光の光路11cとに分割される。参照光の光路11bを進んだ光ビームは、NDフィルター13、レンズ14、ミラー29、レンズ31を介して導かれた後、ミラー15で反射される。ミラー15は、圧電素子16に装着されており、参照光の光ビームの周期的な位相シフトを行うことができる。また、参照光の光路においては、ミラー15の近傍に、不図示のシャッター等を備え、このシャッターの機能により、必要に応じて参照光の光路を遮断することによって、干渉像とは異なる通常の反射像を得るために利用することもできる。
A light beam from the
一方、探索光の光路11cを進む光ビームは、レンズ17、32を介した後、計測対象物体18に入射する。この図3においては、探索光の光路11cに配置したレンズ(17、32)と、参照光の光路11bに配置したレンズ(14、31)とは、それぞれの特性が一致するように設計され、かつ光路長が等しく対称的に配置されることによって、精度の高い干渉計測が可能となる。また、参照光路11bにおいて、ミラー15の固定された圧電素子15は、図1の実施例とは異なり、ステージ19に接続され、モーター20によって光軸方向(矢印19aの方向)に移動可能となっている。このステージ19の光軸方向の移動により参照光路の光路長が可変となり、計測対象物体18の3次元的な断層画像情報が取得可能となる。
On the other hand, the light beam traveling on the optical path 11 c of the search light enters the measurement target object 18 after passing through the
計測対称物体18からの反射光は、ビームスプリッター12において参照光の光路を介した参照光と合成され、干渉光が発生する。この干渉光は、レンズ33を介して、ニポウディスク7の所定部位に結像され、更に、ニポウディスクのピンホール群を通過した干渉光(検出光)は、レンズ21を介して、CCD等の2次元撮像素子22に結像される。撮像素子から出力される映像信号は、信号処理回路23を介して所定の処理が行われ、フレーム間での演算処理に基づき所定の断層画像が抽出されることは、既に説明したとおりである。PC24での画像処理を含めて得られた断層画像は、液晶テレビモニター等の表示手段25に表示を行い、必要に応じて、記憶装置26に記憶させることができる。
The reflected light from the measurement symmetric object 18 is combined with the reference light via the optical path of the reference light in the
図4は、図3のシステムにおいて利用されるニポウディスクの構造を示した説明図である。ニポウディスク7は、モーターの回転軸8aを中心に所定の速度で回転するが、図4においては、例えば、投光側の観察領域に対応する光の通過領域が27であるとすると、検出側(受光側)の観察領域に対応する光の通過領域は34の位置にある。この図から明らかな様に、ニポウディスク上におけるピンホール29の配置は、投光側と受光側とで対称的に設定されており、ディスクの回転によっても対称性が保たれる様に設計されている。ピンホールの直径と間隔は、それぞれ例えば100ミクロン、及び500ミクロン程度であり、この様な精密かつ微細な穴加工は、所定の金属板にフォトエッチング技術等を利用して実現可能であることは、既に述べたとおりである。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the structure of a Niipou disc used in the system of FIG. The
図4のニポウディスクを採用した図3の光学系においても、図1および図2の光学系と同様に、光源からの光ビームは、ニポウディスク7を通過することによって、空間的な可干渉性が改善される。これによって、撮像素子22において観察される干渉縞の可視度は向上するため、干渉信号をより明瞭に検出することができ、断層画像情報を効果的に抽出するという点で有利になる。
In the optical system of FIG. 3 that employs the nipou disk of FIG. 4, the light beam from the light source passes through the
また、図4から明らかな様に、図3の光学系では、投光側のレンズ6等を介して光ビームが通過する位置27と、検出側のレンズ33を介して干渉光が通過する位置34とはニポウディスク7の上で異なっており、かつディスク上で極めて精密に対称的に設定されている。この様に、ニポウディスク上において、検出光が投光側とは異なるピンホールを通過することは、投光側のディスク上での反射光(迷光)の影響を全く受けることなく、検出光を受光素子としての2次元撮像素子22で捉えることが出来るという点で重要である。
As is clear from FIG. 4, in the optical system of FIG. 3, a position 27 through which the light beam passes through the
図3と図4のシステム構成においては、ピンホールを介して光ビームを投光し、ピンホールを介して検出光を受光するため、共焦点効果によって光ノイズの影響が除去され、検出信号のSNや諧調性も改善されるという効果がある。図3と図4のような構成では、結果的に、検出される干渉縞信号のコントラストも改善して、解像力の高い断層画像を得ることが可能になる。 In the system configuration of FIG. 3 and FIG. 4, since the light beam is projected through the pinhole and the detection light is received through the pinhole, the influence of the optical noise is removed by the confocal effect, and the detection signal There is an effect that SN and gradation are also improved. 3 and 4, as a result, it is possible to improve the contrast of the detected interference fringe signal and obtain a tomographic image with high resolving power.
図5は、測定対象として、任意の計測対象物体を想定した場合の説明図であり、図5(a)では、計測物体に関して想定され得る座標系を示している。図5(a)に示したように、本発明における光断層計測装置の測定系では、光学系の光軸に対して直交する方向のX−Y画像と、光学系の光軸に沿った方向のY−Z画像(または不図示のX−Z画像等)が考えられる。本発明における図1または図3のいずれの光学系においても、2次元撮像素子22と信号処理回路23を介して得られる映像信号は、光軸に直交する方向の断面を検出したX−Y画像を示している。従って、これらのX−Y画像を、図5(b)に示した如く、計測対象物体18または参照ミラー15の移動に応じて、Z軸方向に複数枚、収集して行けば、物体内部の3次元情報を取得することが可能である。
FIG. 5 is an explanatory diagram when an arbitrary measurement target object is assumed as a measurement target. FIG. 5A shows a coordinate system that can be assumed for the measurement object. As shown in FIG. 5A, in the measurement system of the optical tomography measuring apparatus according to the present invention, an XY image in a direction orthogonal to the optical axis of the optical system and a direction along the optical axis of the optical system. YZ images (or an XZ image not shown) can be considered. 1 or 3 in the present invention, the video signal obtained through the two-
図5(c)は、物体内部の3次元情報を採取した後に、ソフトウェアによる各種の画像処理をPC24(図1または図3参照)によって行い、視覚的に表示できるように処理して表示装置25のモニター画面に表示したところの例示図である。図5(d)は、図5(b)に示した様式で採取した画像データに対して更なる画像処理を行い、物体のX−Z方向の断面画像を表示したところの例示図である。このような各種の断層画像計測は、例えば医学、生物学的な分野における生体組織観察や細胞検査等、あるいは産業分野における微細工業部品の精密計測等においても極めて有用である。 In FIG. 5C, after collecting three-dimensional information inside the object, various image processing by software is performed by the PC 24 (see FIG. 1 or FIG. 3) and processed so that it can be visually displayed. It is an illustration figure displayed on the monitor screen. FIG. 5D is an exemplary diagram in which further image processing is performed on the image data collected in the manner shown in FIG. 5B and a cross-sectional image of the object in the XZ direction is displayed. Such various types of tomographic image measurement are extremely useful in, for example, biological tissue observation and cell examination in the medical and biological fields, or in precision measurement of fine industrial parts in the industrial field.
1 光源
3 光ファイバー
7 ニポウディスク
12 ビームスプリッター
15 参照ミラー
18 計測対象物体
22 2次元撮像素子
25 表示装置
29 ピンホール
DESCRIPTION OF
Claims (10)
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光画像計測装置。 Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels toward a predetermined reference optical path;
Two-dimensional imaging means for detecting interference light synthesized between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the reference light path;
Signal processing means for obtaining reflection intensity information inside the target object from the video signal output from the two-dimensional imaging means;
An optical image measurement device comprising:
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光画像計測装置。 Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels toward a predetermined reference optical path;
Light modulating means for periodically phase-shifting the reference light in the reference light path;
Two-dimensional imaging means for detecting interference light synthesized between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the light modulation means;
Signal processing means for extracting phase information of interference light corresponding to light modulation by the light modulation means from the video signal output from the two-dimensional imaging means to obtain tomographic image information of the target object;
An optical image measurement device comprising:
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路に向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記ピンホール手段に再度通過させるための光学手段と、
前記ピンホール手段を通過した干渉光を検出するための2次元撮像手段と、
前記2次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光画像計測装置。 Light that obtains tomographic image information of a target object by irradiating a predetermined portion of the measurement target object with a light beam from a light source, and detecting and image-processing reflected light from the target object using an optical interference phenomenon In the image measuring device,
A light source that generates a low coherent light beam;
A pinhole means disposed on a passage surface of the light beam for scanning the light beam from the light source;
A light splitting member for splitting the light beam that has passed through the pinhole means into search light that travels toward a target object and reference light that travels along a predetermined reference optical path;
Light modulating means for periodically phase-shifting the reference light in the reference light path;
Optical means for allowing the interference light combined between the search light from the target object guided through the light splitting member and the reference light through the light modulation means to pass again through the pinhole means; ,
Two-dimensional imaging means for detecting interference light that has passed through the pinhole means;
Signal processing means for extracting phase information of interference light corresponding to light modulation by the light modulation means from the video signal output from the two-dimensional imaging means to obtain tomographic image information of the target object;
An optical image measurement device comprising:
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