JP3594875B2 - ２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置 - Google Patents
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- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に光散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体を伝搬（反射もしくは透過）した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光源などを用いた光画像計測技術は、安全であること、すなわち脱放射線化、脱アイソトプ化であることから、既存のＸ線を用いた画像計測分野への応用が試みられている。中でも、光による生体画像計測は有望な応用分野として期待されている。しかし、例えば人体や生体組織のような不均一な構成物質をもつ試料（被検体）は、その内部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する場合の最大難点は、被検体から四方八方に出射する透過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路を辿った信号光をどのようにして抽出するかということにある。これを可能にする方法の１つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光学’、２８巻３号、１１６（１９９９）参照〕。
【０００３】
光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、干渉計において生体内部からの反射光波をμｍオーダーの距離分解能で検出する方法である。
【０００４】
図９にマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す。低コヒーレント光源１０１からの光ビームを半透明鏡１０２によって２分割する。一方の光ビームに、例えば鏡１０３の位置走査（ｚ−スキャン）によるドップラー周波数シフトを与えて参照光波とし、他方を被測定物体１０４に照射して物体の深層からの後方散乱光を得る。被測定物体１０４が散乱媒質である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。光コヒーレンス断層画像計測では、光源の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長以内でかつ参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡１０３の位置をスキャンして参照光路長を変化することで光検出器１０５により光反射分布像を計測することができる。図１０はその様子を示すものである。
【０００５】
しかし、図１０に見られるように、現行の光コヒーレンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によって各部位からの反射光波を順次に検出するものである。言いかえれば時間領域の測定法とも理解され、計測時間の短縮には限界がある。
【０００６】
画像計測の更なる高速化のために、例えば図１１に示すように、レンズ系２０２により信号光のビーム径を広げて被検体２０５に入射し、その反射光波を２次元センサアレイ２０６で並列検出する方法が有効であると思われる。なお、図１１において、２０１は低コヒーレント光源、２０３は半透明鏡、２０４は鏡である。
【０００７】
これにより、光軸上の鉛直断面画像を瞬時に取得することができる。図１２はその様子を示すものである。
【０００８】
光ヘテロダイン信号の並列検出方法として２次元光検出器アレイによる方法が報告されている〔例えば、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．３４，１１０１（１９９８）参照〕。この方法では、２次元検出器アレイからの複数のヘテロダイン信号は図１３示すような並列の信号処理系に入力され、それぞれのヘテロダイン信号振幅が検出される。図１３において、３０１は交流増幅器、３０２は整流検波器である。
【０００９】
一方、複数の光検出器と信号処理系をチップ上に集積化した光ヘテロダインセンサアレイも報告されている〔例えば、Ｓ．Ｂｏｕｒｑｕｉｎ，Ｖ．Ｍｏｎｔｅｒｏｓｓｏ，Ｐ．Ｓｅｉｔｚ，Ｒ．Ｐ．Ｓａｌａｔｈｅ，“Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．２５，１０２（２０００）参照〕。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の単一光検出器もしくは図１１に示される二次元光検出器アレイを用いた光検出法で検出される受信光強度は参照光と信号光の強度をそれぞれＩｒ とＩｓ 、また両光波の間の周波数差と位相差をｆｉｆとΔθとすると、次のように表される〔例えば、吉沢、瀬田編、‘光ヘテロダイン技術’、新技術コミュニケーションズ社出版（１９９４）参照〕。
【００１１】
【数１】
【００１２】
従来の光ヘテロダイン検出法では、中間周波数（ビート周波数とも呼ばれる）ｆｉｆの交流信号を交流増幅器で増幅し、さらにその振幅を例えば整流検波回路を用いて検出する。このような交流検波方法を２次元検出器アレイによる光ヘテロダイン測定に応用すると、図１３に示すように、アレイの素子数に対応したチャンネル数をもつ信号処理系が必要となり、実用上アレイの素子数を増やすことに難点がある。
【００１３】
本発明は、上記状況に鑑み、光信号の並列検出を有効に行うことができる２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、この二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光遮断装置が、前記信号光と前記参照光の間の周波数差に近いもしくは等しい周波数で前記干渉光を遮断することを特徴とする。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記信号処理部が、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記信号光と前記参照光の間の周波数差を算出することを特徴とする。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、マイケルソン干渉計を用いることを特徴とする。
【００１８】
〔５〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、軸外し干渉計を用いることを特徴とする。
【００１９】
〔６〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００２０】
〔７〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００２１】
〔８〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００２２】
〔９〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、連続発振のレーザ光であることを特徴とする。
【００２３】
〔１０〕上記〔９〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、マッハーツェダー干渉計を用いることを特徴とする。
【００２４】
〔１１〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光遮断装置が、液晶素子を用いた高速光シャッターであることを特徴とする。
【００２５】
〔１２〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記被検体が、光散乱媒質であることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【００２８】
この図において、１は低コヒーレント光源、２は第１のレンズＬ▲１▼と第１のレンズＬ▲２▼からなるレンズ系、３は第１のビームスプリッタＢＳ１、４はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）４Ａ付き反射鏡、５は被検体、６は第２のビームスプリッタＢＳ２、７は第１のシャッター▲１▼、８は第１のＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）▲１▼、９は第２のシャッター▲２▼、１０は第２のＣＣＤ▲２▼、１１は（π／２）位相シフター、１２はパルス信号発生器である。
【００２９】
図１に示すように、連続光を出力する低コヒーレント光源１、例えばスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）から出射した光ビームは、レンズ系（第１のレンズＬ▲１▼と第２のレンズＬ▲２▼）２によってビーム径を広げられ、さらに第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３により、信号光と参照光とに２分される。参照光と分かれた信号光は、例えば、散乱媒質からなる被検体５に入射する。被検体５からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３によって反射され、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６へ伝送される。
【００３０】
一方、参照光は反射鏡４へ伝送されて、その反射光波は、例えばピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）４Ａによる鏡４の振動でドップラー周波数ｆＤ の周波数シフトを受ける。周波数シフトを受けた参照光の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３を透過して、信号光と重畳することにより干渉光を生成する。
【００３１】
図１はマイケルソン干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は次のような機構を干渉計に構えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と異なる特徴をもつ光画像計測装置を提供する。ここでは、上記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３による光波重畳の手段で得た干渉光を第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６で２分割する。さらに、２分割された干渉光ビームを第１のシャッター▲１▼７と第２のシャッター▲２▼９を用いて周期的遮断（サンプリング）する。
【００３２】
本発明は、上記した方法で生成される２列の干渉光パルスを受光するために、イメージセンサ例えばＣＣＤカメラを使用する。
【００３３】
以下に、本発明による測定原理を説明する。
【００３４】
図２（ａ）は、光ヘテロダイン測定において信号光および参照光がともに連続光である場合、光センサ面上に生成される干渉光の時間波形を示すものである。式（１）で示されるように、光干渉信号は参照光および信号光の強度に比例した直流成分と、ビート周波数ｆｉｆ＝ｆＤ の交流成分とからなる。
【００３５】
一方、図２（ｂ）と図２（ｃ）は、本発明によって２台の光センサの検出面上にて生成される干渉光の時間波形を示すものである。
【００３６】
２つの干渉光はともに：Ｔ１ ＝Ｔ２ ＝１／Δｆの周期でサンプリングされており、そのサンプリング動作を数式を用いて以下に述べる。
【００３７】
連続光源から出射するコヒーレント光を振幅Ａ、周波数ｆ、位相θをもつ電場の正弦的波動として考える。すなわち、
【００３８】
【数２】
【００３９】
その光強度は次のように表される。
【００４０】
【数３】
【００４１】
図１に示す第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３によって重畳された参照光と信号光はともに連続光であり、それぞれの電場とを次のように表わすことができる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】
次に、本発明でのシャッターの周期的遮断動作、例えば図３（ａ）に示される周期Ｔ１ ＝１／Δｆの矩形動作をフーリエ級数の展開により次のように展開する。
【００４５】
【数６】
【００４６】
従って、シャッターを通過する干渉光は、式（６）の変調レートｍ（ｔ）で強度変調されることとなる。そこで、図１に示す第１のＣＣＤ▲１▼（光センサ）８の面上にて生成される干渉光は次のように表わされる。
【００４７】
【数７】
【００４８】
但し、Ｔは第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の光透過率で、Δθ＝｜θ１ ＋θ２ ｜である。
【００４９】
蓄積型の光センサ、例えば空間的に受光素子が配置されるＣＣＤカメラを用いて干渉光で受光すると、光センサの電気出力は測定時間内に蓄積した光電荷量に比例するものであり、式（７）から次のように与えられる。
【００５０】
【数８】
【００５１】
ただし、Ｋ１ は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の透過率および光センサの光電変換率を含めた光検出効率である。
【００５２】
式（８）の積算の第１項は、サンプリング周波数が光センサの応答周波数よりも十分高ければ、
【００５３】
【数９】
【００５４】
となり、同様にその第２項は
【００５５】
【数１０】
【００５６】
となる。さらにその第３項は、
【００５７】
【数１１】
【００５８】
となる。
【００５９】
サンプリング周波数とビート周波数間の差（δｆ＝｜ｆＤ −Δｆ｜）が小さく、蓄積型光センサの応答周波数に比べて十分低いのであれば、式（１１）の積算は
【００６０】
【数１２】
【００６１】
となる。ただし、φ＝Δθ−ψである。
【００６２】
式（９）〜（１２）から、式（８）は
【００６３】
【数１３】
【００６４】
となる。光センサの出力には、信号光と参照光の強度のほかに、光干渉信号の振幅（√Ｉｓ Ｉｒ ）及び位相（２πδｆｔ＋φ）に関する項が含まれていることが分かる。
【００６５】
以上の説明から明白となるように、本発明は、蓄積型光センサ、例えばＣＣＤカメラの低い周波数応答特性を十分に認識した上で、それを用いた２次元光ヘテロダイン検波を行う。本発明では、干渉光をそのビート周波数（ｆＤ ）に近い周波数（Δｆ）でサンプリングしてさらにＣＣＤカメラで受光することで、ヘテロダイン信号成分を周波数δｆ（δｆ＝｜ｆＤ −Δｆ｜）の交流信号として検出する。このことは、ビート周波数ｆＤ の信号を検出する従来の光ヘテロダイン検出法と根本的に異なる。
【００６６】
また、式（１２）と（１３）から察知するように、本発明では、干渉光をそのビート周波数と同じ周波数でサンプリングすることにより、ヘテロダイン信号成分を直流信号として検出することも可能である。
【００６７】
さらに、本発明は以下のような測定手段を用いることを特徴とする。
【００６８】
図３（ａ）と図３（ｂ）にそれぞれ、本発明による図１に示した第１のシャッター７と第１のシャッター９のｏｎ−ｏｆｆタイミングを示す。これより、両ｏｎ−ｏｆｆタイミング間にΔｔ＝Ｔ１ ／４（Ｔ１ ＝Ｔ２ ）の時間差が設けられていることが分かる。これは、フーリエ変換の原理から式（６）の位相ψを相対的にπ／２ずらすことを意味する。
【００６９】
従って、図１に示した第２の光センサＣＣＤ１０からの出力は、
【００７０】
【数１４】
【００７１】
と求められる。ただし、Ｋ２ は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の透過率と第２の光センサＣＣＤ１０の光電変換率を含めた光検出効率である。
【００７２】
一方、本発明では、例えば図１に示した第１のシャッター７と第２のシャッター９を“ｏｎ”、すなわち“開き”の状態に保つことにより、連続的な干渉光を受光することも可能である。その場合、干渉光のビート周波数が蓄積型の応答周波数より十分高いのであれば、第１の光センサＣＣＤ８からの出力は、
【００７３】
【数１５】
【００７４】
となる。同様に、第２の光センサＣＣＤ１０からの出力は、
【００７５】
【数１６】
【００７６】
となる。
【００７７】
ｉ３ とｉ４ はそれぞれ第１のセンサＣＣＤ８と第２のセンサＣＣＤ１０に入射する光の強度に比例し、前出式（１）から、光ヘテロダイン測定、例えば図１０に示す光コヒーレンス断層画像化測定で検出される信号の直流成分に相当することが分かる。そこで、本発明は、次のような演算処理により、光干渉信号の振幅（√Ｉｓ Ｉｒ ）に関する情報を抽出する。
【００７８】
式（１３）〜（１６）の結果から、両センサの出力に含まれる干渉信号成分は以下のように算出される。
【００７９】
【数１７】
【００８０】
【数１８】
【００８１】
式（１７）と式（１８）の比較から、Ｓ２ とＳ１ はそれぞれ同期検出法における“Ｉ”（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）信号と“Ｑ”（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号に対応することが分かる。これより、光干渉信号の振幅は
【００８２】
【数１９】
【００８３】
と求まる。ここで、ｒは両センサによる検出効率の比であり、式（１５）と式（１６）から次のように与えられる。
【００８４】
【数２０】
【００８５】
一方、Ｓ１ とＳ２ がそれぞれ同期検出法におけるＩ信号とＱ信号に対応することから、本発明は、光干渉信号の振幅情報のみならず、その周波数情報を取得することもできる。例えば図４に示す市販品の高速フーリェ変換器（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）Ｃによる演算処理で周波数δｆを求めることが可能である。これより、本発明はドップラー周波数シフトを測定対象とする流速計測装置にも応用できることが明白である。なお、図４において、Ｂ１，Ｂ２はＡ／Ｄ変換器である。
【００８６】
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
【００８７】
〔実施例１〕
図５は本発明による図１に示した光画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す。
【００８８】
この図において、２１は低コヒーレント光源、２２はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、２３は第１のビームスプリッタＢＳ１、２４はレンズＬ▲３▼、２５は光ファイバ、２６はレンズ▲４▼、２７はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）２７Ａ付き反射鏡、２８は２次元レンズアレイ▲１▼、２９は光ファイババンドル、３０は２次元レンズアレイ▲２▼、３１は被検体、３２は第２のビームスプリッタＢＳ２、３３は第１のシャッター▲１▼、３４は第１のＣＣＤ▲１▼、３５は第２のシャッター▲２▼、３６は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【００８９】
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合、コヒーレント長ｌＣ ≒３０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合ｌＣ ≒１０μｍ程度である。
【００９０】
更に、この実施例は、本発明による図１に示した信号光及び参照光の伝送手段として光ファイバを用いることにより、被検体３１の配置位置を光画像計測装置から分離できることを特徴とする。
【００９１】
光源からの出力光は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３によって参照光と信号光に２分される。参照光は空間的に多数のマイクロレンズが配置される２次元レンズアレイ▲１▼２８によって光ファイババンドル２９へ結合され、その光ファイババンドル２９を経由して２次元レンズアレイ▲２▼３０へ伝送される。２次元レンズアレイ▲２▼３０は、被検体３１への光入射および被検体３１からの反射光の集光を同時に行う。集光された被検体３１からの反射光は同光ファイババンドル２９によって第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３へ返送される。
【００９２】
他方、参照光はレンズ▲３▼２４によって光ファイバ２５へ結合され、反射鏡２７へ伝送される。反射鏡２７からの反射光は同光ファイバ２５によって第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３へ返送される。
【００９３】
低コヒーレント光源２１を用いたこの実施例は、信号光と参照光との光路長差は光源の極めて短いコヒーレント長以内にあるときのみ、光干渉が生成される。そのため、例えば反射鏡２７の位置をスキャンして参照光の光路長を信号光の光路長に等しくなるように差調節することが望ましい。
【００９４】
また、前述したように、本発明はイメージセンサ、例えば空間的に受光素子が配置されるＣＣＤカメラで光干渉信号を並列検出できることを特徴としている。市販品のＣＣＤカメラは数十万ないし数百万の受光素子を有するので、これら極めて多数の受光素子を有効に利用すれば、無走査で実時間の２次元光画像計測が可能となる。
【００９５】
一方、本実施例で使用されるレンズアレイの素子数は必ずしもＣＣＤカメラの受光素子数に等しく設定される必要がない。複数のＣＣＤ素子でレンズアレイの一素子からの信号光を検出することは、光ヘテロダイン信号のスペックル平均と増強検出に役立つものと考えられる。
【００９６】
〔実施例２〕
本発明は、図１と図５に示すマイケルソン干渉計に基づく画像計測装置に制限されることがなく、他の形式の干渉計に基づく計測装置にも適すると考えられる。
【００９７】
図６は本発明による２次元光ヘテロダイン検出法を軸外し干渉計に基づく光画像計測装置へ実施する例を示す。
【００９８】
この図において、４１は回折格子、４２はレンズ、４３はビームスプリッタＢＳ、４４は第１のシャッター▲１▼、４５は第１のＣＣＤ▲１▼、４６は第２のシャッター▲２▼、４７は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【００９９】
図６では、平面波の信号光ａと平面波の参照光ｂはそれぞれ左右の両側から角分散素子例えば回折格子４１に入射する。この回折格子４１の面上において、互いに交差する両光波の波面不整合により高い空間周波数が生成されるが、入射角と回折格子４１の格子定数を適切に選ぶことにより、信号光ａ及び参照光ｂの１次回折光の出射角をゼロもしくはゼロに近くなるようにすることが可能である。これにより両光波は合波され、干渉光となる。
【０１００】
さらに、この実施例は、レンズ４２を用いて回折格子４１からの一次回折光をイメージセンサ例えばＣＣＤカメラの検出面上に結像させることを特徴とする。図６では、干渉光がビームスプリッタ４３によって２分され、それぞれ第１のＣＣＤ▲１▼と第２のＣＣＤ▲２▼でヘテロダイン検出される。
【０１０１】
なお、この実施例では、優れた距離（信号光と参照光間の光路長差）分解能を得るために、光源として低コヒーレント光源例えばＳＬＤを使用することが望ましい。
【０１０２】
〔実施例３〕
図７は、本発明による図１に示した光画像計測装置に第１のビームスプリッタＢＳ１として広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を用いた実施例である。
【０１０３】
この図において、５１は低コヒーレント光源、５２はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、５３は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、５４は反射鏡▲１▼、５５は第１のビームスプリッタＢＳ１、５６はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）５６Ａ付き反射鏡▲１▼、５７は（１／４）波長板、５８はマイクロレンズアレイ、５９は被検体、６０は反射鏡▲２▼、６１は第２のビームスプリッタＢＳ２、６２は第１のシャッター▲１▼、６３は第１のＣＣＤ▲１▼、６４は第２のシャッター▲２▼、６５は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【０１０４】
この図に示すように、低コヒーレンス光源５１、例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。ここでは、広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３が入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光と分かれた信号光は（１／４）波長板５７を通過して円偏光に変換され、さらに例えばマイクロレンズアレイ５８によって収束されて被検体５９へ入射する。被検体５９から反射してきた円偏光の信号光は、再び（１／４）波長板５７を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３はＳ偏光の信号光を９０度反射し、第２の鏡▲２▼６０を経由して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１へ伝送する。
【０１０５】
一方、広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３が入射光のＳ偏光成分を９０ｏ 反射して参照光とする。第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）５５を透過した参照光は第１の鏡▲１▼５６によって反射されるが、その反射光は第１の鏡▲１▼５６に付着したピエゾ素子の振動によってドップラ周波数シフトを受ける。第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）５５は反射光の一部を９０度反射して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１へ伝送する。このように、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光である。
【０１０６】
本実施例は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３及び（１／４）波長板５７を用いることにより、被検体５９への入射光の偏光方向を制御できることが特徴である。
【０１０７】
〔実施例４〕
図８は、本発明による２次元光ヘテロダイン検出法をマッハツエンダー干渉計に基づく光透過画像計測装置へ実施する例を示す。
【０１０８】
この図において、７１はレーザー、７２は第１のビームスプリッタＢＳ１、７３は音響光学変調器（ＡＯＭ）、７４は反射鏡▲１▼、７５はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、７６は反射鏡▲２▼、７７はレンズ系（レンズＬ▲３▼，レンズＬ▲４▼）、７８は被検体、７９は第２のビームスプリッタＢＳ２、８０は第１のシャッター▲１▼、８１は第１のＣＣＤ▲１▼、８２は第２のシャッター▲２▼、８３は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【０１０９】
この実施例では、コヒーレント光源、例えばレーザ７１からの出力光は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）７２によって参照光と信号光に２分される。参照光と分かれた信号光はレンズＬ▲３▼とレンズＬ▲４▼からなるレンズ系７７によってビーム径を広げられ、被検体７８へ入射される。被検体７８を透過した信号光の一部は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９を透過して、第１のＣＣＤ▲１▼８１へ入射する。また、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９によって９０度反射された信号光は第２のＣＣＤ▲２▼８３へ入射する。
【０１１０】
一方、参照光は周波数シフタ例えば音響光学変調器（ＡＯＭ）７３から周波数シフトを受けて、さらにレンズＬ▲１▼とレンズＬ▲２▼からなるレンズ系７５によってビーム径を広げられる。参照光の一部は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９を透過して、第２のＣＣＤ８３へ入射する。また、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９によって９０度反射された参照光は第１のＣＣＤ▲１▼８１へ入射する。
【０１１１】
この実施例で第１の光シャッター▲１▼８０と第２の光シャッター▲２▼８２として、例えば液晶素子または電気光学素子を用いた高速シャッターを使用することが望ましい。また、干渉光のビート周波数をシャッターのｏｎ−ｏｆｆ周波数に合わせるために、周波数シフタとして２台もしくは２台以上のＡＯＭを使用することも効果的である。
【０１１２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１１３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１１４】
（Ａ）光信号の並列検出を有効に行うことのできる２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置を提供することができる。
【０１１５】
（Ｂ）光干渉信号の振幅情報のみならず、その周波数情報を取得することもできる。
【０１１６】
（Ｃ）信号光及び参照光の伝送手段として光ファイバを用いることにより、被検体の配置位置を光画像計測装置から分離できる。
【０１１７】
（Ｄ）入射角と回折格子の格子定数を適切に選ぶことにより、信号光及び参照光の１次回折光の出射角をゼロもしくはゼロに近くなるようにすることができる。
【０１１８】
（Ｅ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び（１／４）波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【図２】本発明での光ヘテロダイン測定において信号光および参照光がともに連続光である場合、光センサ面上に生成される干渉光の時間波形を示す図である。
【図３】本発明でのシャッターの周期的遮断動作を示す図である。
【図４】高速フーリェ変換（ＦＦＴ）器による演算処理で周波数δｆを求めるシステム構成図である。
【図５】本発明による図１に示した光画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図６】本発明による２次元光ヘテロダイン検出法を軸外し干渉計に基づく光画像計測装置へ実施する例を示す図である。
【図７】本発明による図１に示した光画像計測装置に第１のビームスプリッタＢＳ１として広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を用いた実施例を示す図である。
【図８】本発明による２次元光ヘテロダイン検出法をマッハツエンダー干渉計に基づく光透過画像計測装置へ実施する例を示す図である。
【図９】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１０】図９における装置を用いて光コヒーレンス断層画像計測の様子を示す図である。
【図１１】画像計測の更なる高速化のため光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１２】図１１における装置を用いて光コヒーレンス断層画像計測の様子を示す図である。
【図１３】２次元検出器アレイからの複数のヘテロダイン信号の並列の信号処理系を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，５１ 低コヒーレント光源
２，２２，５２，７５，７７ レンズ系
３，２３，５５，７２ 第１のビームスプリッタＢＳ１
４，２７，５６ ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）付き反射鏡
４Ａ，２７Ａ，５６Ａ ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）
５，３１，５９，７８ 被検体
６，３２，６１，７９ 第２のビームスプリッタＢＳ２
７，３３，４４，６２，８０ 第１のシャッター▲１▼
８，３４，４５，６３，８１ 第１のＣＣＤ▲１▼
９，３５，４６，６４，８２ 第２のシャッター▲２▼
１０，３６，４７，６５，８３ 第２のＣＣＤ▲２▼
１１ （π／２）位相シフター
１２ パルス信号発生器
２４ レンズ▲３▼
２５ 光ファイバ
２６ レンズ▲４▼
２８ ２次元レンズアレイ▲１▼
２９ 光ファイババンドル
３０ ２次元レンズアレイ▲２▼
４１ 回折格子
４２ レンズ
４３ ビームスプリッタ
５３ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）
５４，７４ 反射鏡▲１▼
５７ （１／４）波長板
５８ マイクロレンズアレイ
６０，７６ 反射鏡▲２▼
７１ レーザ
７３ 音響光学変調器（ＡＯＭ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に光散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体を伝搬（反射もしくは透過）した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光源などを用いた光画像計測技術は、安全であること、すなわち脱放射線化、脱アイソトプ化であることから、既存のＸ線を用いた画像計測分野への応用が試みられている。中でも、光による生体画像計測は有望な応用分野として期待されている。しかし、例えば人体や生体組織のような不均一な構成物質をもつ試料（被検体）は、その内部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する場合の最大難点は、被検体から四方八方に出射する透過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路を辿った信号光をどのようにして抽出するかということにある。これを可能にする方法の１つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光学’、２８巻３号、１１６（１９９９）参照〕。
【０００３】
光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、干渉計において生体内部からの反射光波をμｍオーダーの距離分解能で検出する方法である。
【０００４】
図９にマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す。低コヒーレント光源１０１からの光ビームを半透明鏡１０２によって２分割する。一方の光ビームに、例えば鏡１０３の位置走査（ｚ−スキャン）によるドップラー周波数シフトを与えて参照光波とし、他方を被測定物体１０４に照射して物体の深層からの後方散乱光を得る。被測定物体１０４が散乱媒質である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。光コヒーレンス断層画像計測では、光源の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長以内でかつ参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡１０３の位置をスキャンして参照光路長を変化することで光検出器１０５により光反射分布像を計測することができる。図１０はその様子を示すものである。
【０００５】
しかし、図１０に見られるように、現行の光コヒーレンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によって各部位からの反射光波を順次に検出するものである。言いかえれば時間領域の測定法とも理解され、計測時間の短縮には限界がある。
【０００６】
画像計測の更なる高速化のために、例えば図１１に示すように、レンズ系２０２により信号光のビーム径を広げて被検体２０５に入射し、その反射光波を２次元センサアレイ２０６で並列検出する方法が有効であると思われる。なお、図１１において、２０１は低コヒーレント光源、２０３は半透明鏡、２０４は鏡である。
【０００７】
これにより、光軸上の鉛直断面画像を瞬時に取得することができる。図１２はその様子を示すものである。
【０００８】
光ヘテロダイン信号の並列検出方法として２次元光検出器アレイによる方法が報告されている〔例えば、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．３４，１１０１（１９９８）参照〕。この方法では、２次元検出器アレイからの複数のヘテロダイン信号は図１３示すような並列の信号処理系に入力され、それぞれのヘテロダイン信号振幅が検出される。図１３において、３０１は交流増幅器、３０２は整流検波器である。
【０００９】
一方、複数の光検出器と信号処理系をチップ上に集積化した光ヘテロダインセンサアレイも報告されている〔例えば、Ｓ．Ｂｏｕｒｑｕｉｎ，Ｖ．Ｍｏｎｔｅｒｏｓｓｏ，Ｐ．Ｓｅｉｔｚ，Ｒ．Ｐ．Ｓａｌａｔｈｅ，“Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．２５，１０２（２０００）参照〕。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の単一光検出器もしくは図１１に示される二次元光検出器アレイを用いた光検出法で検出される受信光強度は参照光と信号光の強度をそれぞれＩｒ とＩｓ 、また両光波の間の周波数差と位相差をｆｉｆとΔθとすると、次のように表される〔例えば、吉沢、瀬田編、‘光ヘテロダイン技術’、新技術コミュニケーションズ社出版（１９９４）参照〕。
【００１１】
【数１】
従来の光ヘテロダイン検出法では、中間周波数（ビート周波数とも呼ばれる）ｆｉｆの交流信号を交流増幅器で増幅し、さらにその振幅を例えば整流検波回路を用いて検出する。このような交流検波方法を２次元検出器アレイによる光ヘテロダイン測定に応用すると、図１３に示すように、アレイの素子数に対応したチャンネル数をもつ信号処理系が必要となり、実用上アレイの素子数を増やすことに難点がある。
【００１３】
本発明は、上記状況に鑑み、光信号の並列検出を有効に行うことができる２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、この二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光遮断装置が、前記信号光と前記参照光の間の周波数差に近いもしくは等しい周波数で前記干渉光を遮断することを特徴とする。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記信号処理部が、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記信号光と前記参照光の間の周波数差を算出することを特徴とする。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、マイケルソン干渉計を用いることを特徴とする。
【００１８】
〔５〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、軸外し干渉計を用いることを特徴とする。
【００１９】
〔６〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００２０】
〔７〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００２１】
〔８〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００２２】
〔９〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光源が、連続発振のレーザ光であることを特徴とする。
【００２３】
〔１０〕上記〔９〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記干渉光学系が、マッハーツェダー干渉計を用いることを特徴とする。
【００２４】
〔１１〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記光遮断装置が、液晶素子を用いた高速光シャッターであることを特徴とする。
【００２５】
〔１２〕上記〔１〕記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置において、前記被検体が、光散乱媒質であることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【００２８】
この図において、１は低コヒーレント光源、２は第１のレンズＬ▲１▼と第１のレンズＬ▲２▼からなるレンズ系、３は第１のビームスプリッタＢＳ１、４はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）４Ａ付き反射鏡、５は被検体、６は第２のビームスプリッタＢＳ２、７は第１のシャッター▲１▼、８は第１のＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）▲１▼、９は第２のシャッター▲２▼、１０は第２のＣＣＤ▲２▼、１１は（π／２）位相シフター、１２はパルス信号発生器である。
【００２９】
図１に示すように、連続光を出力する低コヒーレント光源１、例えばスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）から出射した光ビームは、レンズ系（第１のレンズＬ▲１▼と第２のレンズＬ▲２▼）２によってビーム径を広げられ、さらに第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３により、信号光と参照光とに２分される。参照光と分かれた信号光は、例えば、散乱媒質からなる被検体５に入射する。被検体５からの反射光波の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３によって反射され、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６へ伝送される。
【００３０】
一方、参照光は反射鏡４へ伝送されて、その反射光波は、例えばピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）４Ａによる鏡４の振動でドップラー周波数ｆＤ の周波数シフトを受ける。周波数シフトを受けた参照光の一部は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３を透過して、信号光と重畳することにより干渉光を生成する。
【００３１】
図１はマイケルソン干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は次のような機構を干渉計に構えることにより、従来の光ヘテロダイン干渉計と異なる特徴をもつ光画像計測装置を提供する。ここでは、上記第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３による光波重畳の手段で得た干渉光を第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６で２分割する。さらに、２分割された干渉光ビームを第１のシャッター▲１▼７と第２のシャッター▲２▼９を用いて周期的遮断（サンプリング）する。
【００３２】
本発明は、上記した方法で生成される２列の干渉光パルスを受光するために、イメージセンサ例えばＣＣＤカメラを使用する。
【００３３】
以下に、本発明による測定原理を説明する。
【００３４】
図２（ａ）は、光ヘテロダイン測定において信号光および参照光がともに連続光である場合、光センサ面上に生成される干渉光の時間波形を示すものである。式（１）で示されるように、光干渉信号は参照光および信号光の強度に比例した直流成分と、ビート周波数ｆｉｆ＝ｆＤ の交流成分とからなる。
【００３５】
一方、図２（ｂ）と図２（ｃ）は、本発明によって２台の光センサの検出面上にて生成される干渉光の時間波形を示すものである。
【００３６】
２つの干渉光はともに：Ｔ１ ＝Ｔ２ ＝１／Δｆの周期でサンプリングされており、そのサンプリング動作を数式を用いて以下に述べる。
【００３７】
連続光源から出射するコヒーレント光を振幅Ａ、周波数ｆ、位相θをもつ電場の正弦的波動として考える。すなわち、
【００３８】
【数２】
その光強度は次のように表される。
【００４０】
【数３】
図１に示す第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）３によって重畳された参照光と信号光はともに連続光であり、それぞれの電場とを次のように表わすことができる。
【００４２】
【数４】
【数５】
次に、本発明でのシャッターの周期的遮断動作、例えば図３（ａ）に示される周期Ｔ１ ＝１／Δｆの矩形動作をフーリエ級数の展開により次のように展開する。
【００４５】
【数６】
従って、シャッターを通過する干渉光は、式（６）の変調レートｍ（ｔ）で強度変調されることとなる。そこで、図１に示す第１のＣＣＤ▲１▼（光センサ）８の面上にて生成される干渉光は次のように表わされる。
【００４７】
【数７】
但し、Ｔは第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の光透過率で、Δθ＝｜θ１ ＋θ２ ｜である。
【００４９】
蓄積型の光センサ、例えば空間的に受光素子が配置されるＣＣＤカメラを用いて干渉光で受光すると、光センサの電気出力は測定時間内に蓄積した光電荷量に比例するものであり、式（７）から次のように与えられる。
【００５０】
【数８】
ただし、Ｋ１ は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の透過率および光センサの光電変換率を含めた光検出効率である。
【００５２】
式（８）の積算の第１項は、サンプリング周波数が光センサの応答周波数よりも十分高ければ、
【００５３】
【数９】
となり、同様にその第２項は
【００５５】
【数１０】
となる。さらにその第３項は、
【００５７】
【数１１】
となる。
【００５９】
サンプリング周波数とビート周波数間の差（δｆ＝｜ｆＤ −Δｆ｜）が小さく、蓄積型光センサの応答周波数に比べて十分低いのであれば、式（１１）の積算は
【００６０】
【数１２】
となる。ただし、φ＝Δθ−ψである。
【００６２】
式（９）〜（１２）から、式（８）は
【００６３】
【数１３】
となる。光センサの出力には、信号光と参照光の強度のほかに、光干渉信号の振幅（√Ｉｓ Ｉｒ ）及び位相（２πδｆｔ＋φ）に関する項が含まれていることが分かる。
【００６５】
以上の説明から明白となるように、本発明は、蓄積型光センサ、例えばＣＣＤカメラの低い周波数応答特性を十分に認識した上で、それを用いた２次元光ヘテロダイン検波を行う。本発明では、干渉光をそのビート周波数（ｆＤ ）に近い周波数（Δｆ）でサンプリングしてさらにＣＣＤカメラで受光することで、ヘテロダイン信号成分を周波数δｆ（δｆ＝｜ｆＤ −Δｆ｜）の交流信号として検出する。このことは、ビート周波数ｆＤ の信号を検出する従来の光ヘテロダイン検出法と根本的に異なる。
【００６６】
また、式（１２）と（１３）から察知するように、本発明では、干渉光をそのビート周波数と同じ周波数でサンプリングすることにより、ヘテロダイン信号成分を直流信号として検出することも可能である。
【００６７】
さらに、本発明は以下のような測定手段を用いることを特徴とする。
【００６８】
図３（ａ）と図３（ｂ）にそれぞれ、本発明による図１に示した第１のシャッター７と第１のシャッター９のｏｎ−ｏｆｆタイミングを示す。これより、両ｏｎ−ｏｆｆタイミング間にΔｔ＝Ｔ１ ／４（Ｔ１ ＝Ｔ２ ）の時間差が設けられていることが分かる。これは、フーリエ変換の原理から式（６）の位相ψを相対的にπ／２ずらすことを意味する。
【００６９】
従って、図１に示した第２の光センサＣＣＤ１０からの出力は、
【００７０】
【数１４】
と求められる。ただし、Ｋ２ は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６の透過率と第２の光センサＣＣＤ１０の光電変換率を含めた光検出効率である。
【００７２】
一方、本発明では、例えば図１に示した第１のシャッター７と第２のシャッター９を“ｏｎ”、すなわち“開き”の状態に保つことにより、連続的な干渉光を受光することも可能である。その場合、干渉光のビート周波数が蓄積型の応答周波数より十分高いのであれば、第１の光センサＣＣＤ８からの出力は、
【００７３】
【数１５】
となる。同様に、第２の光センサＣＣＤ１０からの出力は、
【００７５】
【数１６】
となる。
【００７７】
ｉ３ とｉ４ はそれぞれ第１のセンサＣＣＤ８と第２のセンサＣＣＤ１０に入射する光の強度に比例し、前出式（１）から、光ヘテロダイン測定、例えば図１０に示す光コヒーレンス断層画像化測定で検出される信号の直流成分に相当することが分かる。そこで、本発明は、次のような演算処理により、光干渉信号の振幅（√Ｉｓ Ｉｒ ）に関する情報を抽出する。
【００７８】
式（１３）〜（１６）の結果から、両センサの出力に含まれる干渉信号成分は以下のように算出される。
【００７９】
【数１７】
【数１８】
式（１７）と式（１８）の比較から、Ｓ２ とＳ１ はそれぞれ同期検出法における“Ｉ”（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）信号と“Ｑ”（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号に対応することが分かる。これより、光干渉信号の振幅は
【００８２】
【数１９】
と求まる。ここで、ｒは両センサによる検出効率の比であり、式（１５）と式（１６）から次のように与えられる。
【００８４】
【数２０】
一方、Ｓ１ とＳ２ がそれぞれ同期検出法におけるＩ信号とＱ信号に対応することから、本発明は、光干渉信号の振幅情報のみならず、その周波数情報を取得することもできる。例えば図４に示す市販品の高速フーリェ変換器（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）Ｃによる演算処理で周波数δｆを求めることが可能である。これより、本発明はドップラー周波数シフトを測定対象とする流速計測装置にも応用できることが明白である。なお、図４において、Ｂ１，Ｂ２はＡ／Ｄ変換器である。
【００８６】
以下、本発明の具体的実施例について説明する。
【００８７】
〔実施例１〕
図５は本発明による図１に示した光画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す。
【００８８】
この図において、２１は低コヒーレント光源、２２はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、２３は第１のビームスプリッタＢＳ１、２４はレンズＬ▲３▼、２５は光ファイバ、２６はレンズ▲４▼、２７はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）２７Ａ付き反射鏡、２８は２次元レンズアレイ▲１▼、２９は光ファイババンドル、３０は２次元レンズアレイ▲２▼、３１は被検体、３２は第２のビームスプリッタＢＳ２、３３は第１のシャッター▲１▼、３４は第１のＣＣＤ▲１▼、３５は第２のシャッター▲２▼、３６は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【００８９】
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合、コヒーレント長ｌＣ ≒３０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合ｌＣ ≒１０μｍ程度である。
【００９０】
更に、この実施例は、本発明による図１に示した信号光及び参照光の伝送手段として光ファイバを用いることにより、被検体３１の配置位置を光画像計測装置から分離できることを特徴とする。
【００９１】
光源からの出力光は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３によって参照光と信号光に２分される。参照光は空間的に多数のマイクロレンズが配置される２次元レンズアレイ▲１▼２８によって光ファイババンドル２９へ結合され、その光ファイババンドル２９を経由して２次元レンズアレイ▲２▼３０へ伝送される。２次元レンズアレイ▲２▼３０は、被検体３１への光入射および被検体３１からの反射光の集光を同時に行う。集光された被検体３１からの反射光は同光ファイババンドル２９によって第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３へ返送される。
【００９２】
他方、参照光はレンズ▲３▼２４によって光ファイバ２５へ結合され、反射鏡２７へ伝送される。反射鏡２７からの反射光は同光ファイバ２５によって第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）２３へ返送される。
【００９３】
低コヒーレント光源２１を用いたこの実施例は、信号光と参照光との光路長差は光源の極めて短いコヒーレント長以内にあるときのみ、光干渉が生成される。そのため、例えば反射鏡２７の位置をスキャンして参照光の光路長を信号光の光路長に等しくなるように差調節することが望ましい。
【００９４】
また、前述したように、本発明はイメージセンサ、例えば空間的に受光素子が配置されるＣＣＤカメラで光干渉信号を並列検出できることを特徴としている。市販品のＣＣＤカメラは数十万ないし数百万の受光素子を有するので、これら極めて多数の受光素子を有効に利用すれば、無走査で実時間の２次元光画像計測が可能となる。
【００９５】
一方、本実施例で使用されるレンズアレイの素子数は必ずしもＣＣＤカメラの受光素子数に等しく設定される必要がない。複数のＣＣＤ素子でレンズアレイの一素子からの信号光を検出することは、光ヘテロダイン信号のスペックル平均と増強検出に役立つものと考えられる。
【００９６】
〔実施例２〕
本発明は、図１と図５に示すマイケルソン干渉計に基づく画像計測装置に制限されることがなく、他の形式の干渉計に基づく計測装置にも適すると考えられる。
【００９７】
図６は本発明による２次元光ヘテロダイン検出法を軸外し干渉計に基づく光画像計測装置へ実施する例を示す。
【００９８】
この図において、４１は回折格子、４２はレンズ、４３はビームスプリッタＢＳ、４４は第１のシャッター▲１▼、４５は第１のＣＣＤ▲１▼、４６は第２のシャッター▲２▼、４７は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【００９９】
図６では、平面波の信号光ａと平面波の参照光ｂはそれぞれ左右の両側から角分散素子例えば回折格子４１に入射する。この回折格子４１の面上において、互いに交差する両光波の波面不整合により高い空間周波数が生成されるが、入射角と回折格子４１の格子定数を適切に選ぶことにより、信号光ａ及び参照光ｂの１次回折光の出射角をゼロもしくはゼロに近くなるようにすることが可能である。これにより両光波は合波され、干渉光となる。
【０１００】
さらに、この実施例は、レンズ４２を用いて回折格子４１からの一次回折光をイメージセンサ例えばＣＣＤカメラの検出面上に結像させることを特徴とする。図６では、干渉光がビームスプリッタ４３によって２分され、それぞれ第１のＣＣＤ▲１▼と第２のＣＣＤ▲２▼でヘテロダイン検出される。
【０１０１】
なお、この実施例では、優れた距離（信号光と参照光間の光路長差）分解能を得るために、光源として低コヒーレント光源例えばＳＬＤを使用することが望ましい。
【０１０２】
〔実施例３〕
図７は、本発明による図１に示した光画像計測装置に第１のビームスプリッタＢＳ１として広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を用いた実施例である。
【０１０３】
この図において、５１は低コヒーレント光源、５２はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、５３は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、５４は反射鏡▲１▼、５５は第１のビームスプリッタＢＳ１、５６はピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）５６Ａ付き反射鏡▲１▼、５７は（１／４）波長板、５８はマイクロレンズアレイ、５９は被検体、６０は反射鏡▲２▼、６１は第２のビームスプリッタＢＳ２、６２は第１のシャッター▲１▼、６３は第１のＣＣＤ▲１▼、６４は第２のシャッター▲２▼、６５は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【０１０４】
この図に示すように、低コヒーレンス光源５１、例えばＳＬＤとＬＥＤからの出力光は一般的に無偏光で、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。ここでは、広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３が入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光とする。参照光と分かれた信号光は（１／４）波長板５７を通過して円偏光に変換され、さらに例えばマイクロレンズアレイ５８によって収束されて被検体５９へ入射する。被検体５９から反射してきた円偏光の信号光は、再び（１／４）波長板５７を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３はＳ偏光の信号光を９０度反射し、第２の鏡▲２▼６０を経由して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１へ伝送する。
【０１０５】
一方、広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３が入射光のＳ偏光成分を９０ｏ 反射して参照光とする。第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）５５を透過した参照光は第１の鏡▲１▼５６によって反射されるが、その反射光は第１の鏡▲１▼５６に付着したピエゾ素子の振動によってドップラ周波数シフトを受ける。第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）５５は反射光の一部を９０度反射して第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１へ伝送する。このように、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）６１にて重畳される信号光および参照光はともにＳ偏光である。
【０１０６】
本実施例は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）５３及び（１／４）波長板５７を用いることにより、被検体５９への入射光の偏光方向を制御できることが特徴である。
【０１０７】
〔実施例４〕
図８は、本発明による２次元光ヘテロダイン検出法をマッハツエンダー干渉計に基づく光透過画像計測装置へ実施する例を示す。
【０１０８】
この図において、７１はレーザー、７２は第１のビームスプリッタＢＳ１、７３は音響光学変調器（ＡＯＭ）、７４は反射鏡▲１▼、７５はレンズ系（レンズＬ▲１▼，レンズＬ▲２▼）、７６は反射鏡▲２▼、７７はレンズ系（レンズＬ▲３▼，レンズＬ▲４▼）、７８は被検体、７９は第２のビームスプリッタＢＳ２、８０は第１のシャッター▲１▼、８１は第１のＣＣＤ▲１▼、８２は第２のシャッター▲２▼、８３は第２のＣＣＤ▲２▼である。
【０１０９】
この実施例では、コヒーレント光源、例えばレーザ７１からの出力光は第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）７２によって参照光と信号光に２分される。参照光と分かれた信号光はレンズＬ▲３▼とレンズＬ▲４▼からなるレンズ系７７によってビーム径を広げられ、被検体７８へ入射される。被検体７８を透過した信号光の一部は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９を透過して、第１のＣＣＤ▲１▼８１へ入射する。また、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９によって９０度反射された信号光は第２のＣＣＤ▲２▼８３へ入射する。
【０１１０】
一方、参照光は周波数シフタ例えば音響光学変調器（ＡＯＭ）７３から周波数シフトを受けて、さらにレンズＬ▲１▼とレンズＬ▲２▼からなるレンズ系７５によってビーム径を広げられる。参照光の一部は第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９を透過して、第２のＣＣＤ８３へ入射する。また、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）７９によって９０度反射された参照光は第１のＣＣＤ▲１▼８１へ入射する。
【０１１１】
この実施例で第１の光シャッター▲１▼８０と第２の光シャッター▲２▼８２として、例えば液晶素子または電気光学素子を用いた高速シャッターを使用することが望ましい。また、干渉光のビート周波数をシャッターのｏｎ−ｏｆｆ周波数に合わせるために、周波数シフタとして２台もしくは２台以上のＡＯＭを使用することも効果的である。
【０１１２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１１３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１１４】
（Ａ）光信号の並列検出を有効に行うことのできる２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置を提供することができる。
【０１１５】
（Ｂ）光干渉信号の振幅情報のみならず、その周波数情報を取得することもできる。
【０１１６】
（Ｃ）信号光及び参照光の伝送手段として光ファイバを用いることにより、被検体の配置位置を光画像計測装置から分離できる。
【０１１７】
（Ｄ）入射角と回折格子の格子定数を適切に選ぶことにより、信号光及び参照光の１次回折光の出射角をゼロもしくはゼロに近くなるようにすることができる。
【０１１８】
（Ｅ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び（１／４）波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２次元光ヘテロダイン画像計測装置の構成図である。
【図２】本発明での光ヘテロダイン測定において信号光および参照光がともに連続光である場合、光センサ面上に生成される干渉光の時間波形を示す図である。
【図３】本発明でのシャッターの周期的遮断動作を示す図である。
【図４】高速フーリェ変換（ＦＦＴ）器による演算処理で周波数δｆを求めるシステム構成図である。
【図５】本発明による図１に示した光画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図６】本発明による２次元光ヘテロダイン検出法を軸外し干渉計に基づく光画像計測装置へ実施する例を示す図である。
【図７】本発明による図１に示した光画像計測装置に第１のビームスプリッタＢＳ１として広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を用いた実施例を示す図である。
【図８】本発明による２次元光ヘテロダイン検出法をマッハツエンダー干渉計に基づく光透過画像計測装置へ実施する例を示す図である。
【図９】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１０】図９における装置を用いて光コヒーレンス断層画像計測の様子を示す図である。
【図１１】画像計測の更なる高速化のため光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１２】図１１における装置を用いて光コヒーレンス断層画像計測の様子を示す図である。
【図１３】２次元検出器アレイからの複数のヘテロダイン信号の並列の信号処理系を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，５１ 低コヒーレント光源
２，２２，５２，７５，７７ レンズ系
３，２３，５５，７２ 第１のビームスプリッタＢＳ１
４，２７，５６ ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）付き反射鏡
４Ａ，２７Ａ，５６Ａ ピエゾ圧電素子（ＰＺＴ）
５，３１，５９，７８ 被検体
６，３２，６１，７９ 第２のビームスプリッタＢＳ２
７，３３，４４，６２，８０ 第１のシャッター▲１▼
８，３４，４５，６３，８１ 第１のＣＣＤ▲１▼
９，３５，４６，６４，８２ 第２のシャッター▲２▼
１０，３６，４７，６５，８３ 第２のＣＣＤ▲２▼
１１ （π／２）位相シフター
１２ パルス信号発生器
２４ レンズ▲３▼
２５ 光ファイバ
２６ レンズ▲４▼
２８ ２次元レンズアレイ▲１▼
２９ 光ファイババンドル
３０ ２次元レンズアレイ▲２▼
４１ 回折格子
４２ レンズ
４３ ビームスプリッタ
５３ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）
５４，７４ 反射鏡▲１▼
５７ （１／４）波長板
５８ マイクロレンズアレイ
６０，７６ 反射鏡▲２▼
７１ レーザ
７３ 音響光学変調器（ＡＯＭ）
Claims (12)
- （ａ）光ビームを出射する光源と、
（ｂ）該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、
（ｃ）該干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、
（ｄ）前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、該二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、
（ｅ）前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、
（ｆ）該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備することを特徴とする２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。 - 前記光遮断装置が、前記信号光と前記参照光の間の周波数差に近いもしくは等しい周波数で前記干渉光を遮断することを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記信号処理部が、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記信号光と前記参照光の間の周波数差を算出することを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記干渉光学系が、マイケルソン干渉計を用いることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記干渉光学系が、軸外し干渉計を用いることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記光源が、可干渉距離５０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記光源が、連続発振のレーザ光であることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記干渉光学系が、マッハーツェダー干渉計を用いることを特徴とする請求項９記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記光遮断装置が、液晶素子を用いた高速光シャッターであることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
- 前記被検体が、光散乱媒質であることを特徴とする請求項１記載の２次元光ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置。
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