JP4409331B2 - 光画像計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に光散乱媒質の被測定物体に光ビームを照射し、その反射光もしくは透過光を用いて被測定物体の表面形態や内部形態を計測し、その画像を形成する光画像計測装置に関する。特に、光ヘテロダイン検出法を利用して被測定物体の表面形態や内部形態を計測し画像を形成する光画像計測装置に関するものである。

近年、レーザ光源等を用いて被測定物体の表面や内部の画像を形成する光画像計測技術が注目を集めている。この光画像計測技術は、従来からのＸ線ＣＴのような人体に対する有害性を持たないことから、特に医療分野における応用の展開が期待されている。

光画像計測技術における代表的な手法の一例として低コヒーレンス干渉法（光コヒーレンス断層画像化法などとも呼ばれる）がある。この手法は、例えばスーパールミネセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ；ＳＬＤ）のように広いスペクトル幅をもつ広帯域光源の低干渉性を利用して、被測定物体からの反射光や透過光をμｍオーダーの優れた距離分解能で検出可能とするものである（例えば下記の非特許文献１を参照）。

この低コヒーレンス干渉法を利用した装置の一例として、マイケルソン干渉計に基づく従来の光画像計測装置の基本構成を図６に示す。この光画像計測装置１００は、広帯域光源１０１、鏡１０２、ビームスプリッタ１０３及び光検出器１０４を含んで構成されている。被測定物体１０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源１０１からの光ビームは、ビームスプリッタ１０３により、鏡１０２に向かう参照光Ｒと被測定物体１０５に向かう信号光Ｓの２つに分割される。参照光Ｒはビームスプリッタ１０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ１０３の透過光である。

ここで、図６に示すように、信号光Ｓの進行方向をｚ軸方向として定めるとともに、信号光Ｓの進行方向に対する直交面をｘ−ｙ面として定義する。鏡１０２は、同図中の両側矢印方向（ｚ−スキャン方向）に変位可能とされている。

参照光Ｒは、鏡１０２に反射される際にそのｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトを受ける。一方、信号光Ｓは、被測定物体１０５に照射されると、その表面及び内部層により反射される。被測定物体は散乱媒質であるので、信号光Ｓの反射光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。被測定物体１０５を経由した信号光と、鏡１０２を経由し周波数シフトを受けた参照光は、ビームスプリッタ１０３によって重畳されて干渉光を生成する。

このような低コヒーレンス干渉方法を用いた画像計測では、信号光Ｓと参照光Ｒの光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長（可干渉距離）以内でありかつ参照光Ｒと位相相関のある信号光Ｓの成分のみが参照光Ｒと干渉を生じる。すなわち、信号光Ｓのコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光Ｒと干渉し合う。この原理から、鏡１０２の位置をｚ−スキャンして参照光Ｒの光路長を変化させることにより、被測定物体１０５の内部層の光反射プロフィールが測定される。更に、被測定物体１０５へ照射される信号光Ｓをｘ−ｙ面方向にも走査する。このようなｚ方向及びｘ−ｙ面方向のスキャンを行いながら干渉光を光検出器１０４で検出し、その検出結果として出力される電気信号（ヘテロダイン信号）を解析することによって、被検体１０５の２次元断層画像が取得される（非特許文献１を参照）。

なお、ビームスプリッタ１０３によって重畳される参照光Ｒ及び信号光Ｓの強度をそれぞれＩ_ｒとＩ_ｓとし、両光波の間の周波数差及び位相差をそれぞれｆ_ｉｆ及びΔθとすると、光検出器からは次式に示すようなヘテロダイン信号が出力される（例えば、非特許文献２を参照）。

式（１）の右辺第３項は交流電気信号であり、その周波数ｆ_ｉｆは参照光Ｒと信号光Ｓが干渉されて発生するうなり（ビート）の周波数に等しい。ヘテロダイン信号の交流成分の周波数ｆ_ｉｆは、ビート周波数などと呼ばれる。また、式（１）の右辺第１項及び第２項はヘテロダイン信号の直流成分であり、干渉光の背景光の信号強度に対応している。

しかしながら、このような従来の低コヒーレンス干渉法で２次元断層画像を取得するためには、被測定物体１０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体１０５の深度方向（ｚ方向）及び断層面方向（ｘ−ｙ面方向）の各部位からの反射光波を順次に検出する必要がある。したがって、被測定物体１０５を計測するためには長時間を要し、また、その計測原理を勘案すると計測時間の短縮を図ることは困難である。

このような問題点に鑑み、計測時間の短縮を図るための光画像計測装置が考案されている。図７は、そのような装置の一例の基本構成が示されている。同図に示す光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３、光検出器としての２次元光センサアレイ２０４、及びレンズ２０６、２０７を含んで構成されている。光源２０１から出射された光ビームは、レンズ２０６、２０７により平行光束にされるとともにそのビーム径が拡大され、ビームスプリッタ２０３によって参照光Ｒと信号光Ｓとに二分される。参照光Ｒには鏡２０２のｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトが付与される。一方、信号光Ｓは、ビーム径が広げられているので、ｘ−ｙ面の広い範囲に亘って被測定物体２０５に入射される。よって、信号光Ｓは、当該入射範囲における被測定物体２０５の表面や内部の情報を含んだ反射光となる。参照光Ｒと信号光Ｓは、ビームスプリッタ２０３により重畳され、２次元光センサアレイ２０４上に並列配置された素子（光センサ）により検出される。したがって、光ビームを走査することなく、被測定物体２０５の２次元断層画像をリアルタイムに取得することが可能となる。

このような非走査型の光画像計測装置としては、非特許文献３に記載のものが知られている。同文献に記載の装置では、２次元光センサアレイから出力される複数のヘテロダイン信号を並列配置の信号処理系に入力して、各ヘテロダイン信号の振幅と位相を検出するようになっている。

しかしながら、画像の空間分解能を高めるためにはアレイの素子数を増加させなければならず、更に、その素子数に対応するチャンネル数を備えた信号処理系を用意しなければならない。したがって、高分解能の画像を必要とする医療や工業等の分野においては実用化する上で難があると思われる。

そこで、本発明者らは、下記の特許文献１において、次のような非走査型の光画像計測装置を提案した。本提案に係る光画像計測装置は、光ビームを出射する光源と、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、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、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、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、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している。

この光画像計測装置は、参照光と信号光からなる干渉光を二分して２台の光センサ（２次元光センサアレイ）で受光するとともに、両センサアレイの前にそれぞれ光遮断装置（シャッタ）を配置して干渉光をサンプリングするように構成されている。そして、分割された２つの干渉光のサンプリング周期にπ／２の位相差を設けることにより、干渉光の背景光を構成する信号光と参照光の強度と、干渉光の位相の直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）とを検出し、更に、両センサアレイからの出力に含まれる背景光の強度を両センサアレイの出力から差し引くことにより、干渉光の２つの位相直交成分を算出し、その算出結果を用いて干渉光の振幅を求めるようになっている。

また、本発明者らは、特許文献２において、光ビームを出射する光源と、該光源から出射された光ビームを、被測定検体が配置される被測定検体の配置位置を経由する信号光と、前記被測定検体の配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参考光とに二分するとともに、前記被測定検体の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考光とを互いに重畳することにより前記信号光と前記参照光とが干渉した干渉光を生成する干渉光学系と、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、前記干渉光学系が、前記信号光と前記参照光のうち少なくとも一方の光路上に光を周期的に遮断する光学装置とを備え、前記光学装置の遮断周波数を前記信号光と前記参照光の間の周波数差に等しくなるように構成された光画像計測装置を提案した。当該光画像計測装置によれば、ビート周波数と等しい遮断周波数にて干渉光をサンプリングすることができるため、好適な光ヘテロダイン測定の実現が図られている。

特許文献１、２に記載の光画像計測装置は、被測定物体の単一の深さ領域からの反射光（あるいは透過光）に基づく干渉光を基に、当該深さ領域の画像を取得するものである。したがって、被測定物体の複数の深さ領域の画像を取得する場合には、各深さ領域についてそれぞれスキャンしながら計測しなければならないため、計測作業には長時間を要していた。

特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落、［００４４］、［００７２］−［００７７］） 特許第３２４５１３５号（請求項、明細書段落［００７２］−［００８２］） 丹野直弘、「光学」、２８巻３号、１１６（１９９９） 吉沢、瀬田編、「光ヘテロダイン技術（改訂版）」、新技術コミュニケーションズ（２００３）、ｐ．２ Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．３４、１１０１（１９９８）

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、被測定物体の複数の深さ領域に対応する成分を含む干渉光を生成するとともに、当該干渉光から各成分を選択的に検出することにより、各深さ領域の画像を並列的に取得することを可能とする光画像計測装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光ビームを出射する光源と、この光源からの光ビームを平行光束にするとともにそのビーム径を拡大するレンズ系と、このレンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを基に、被測定物体の深さ領域毎に異なる周波数を有する複数の干渉光成分を含んだ前記拡大されたビーム径を有する干渉光を生成する干渉系と、前記生成された干渉光から前記各干渉光成分を選択的に検出する検出系と、前記検出された前記各干渉光成分に基づいて、当該各干渉光成分に対応する前記深さ領域における前記被測定物体の２次元断面画像を形成する画像形成手段と、を備えていることを特徴とする光画像計測装置である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記干渉系は、前記被測定物体からの距離が各々異なるように配置された複数の参照物体と、前記レンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを、前記被測定物体の複数の前記深さ領域にて反射される前記拡大されたビーム径を有する信号光と、前記複数の参照物体を各々経由する前記拡大されたビーム径を有する複数の参照光とに分割する分割手段と、前記複数の参照光の周波数を各々異なる量だけシフトする周波数シフト手段と、前記被測定物体を経由した前記信号光と、前記周波数シフト手段により周波数が各々シフトされ、前記複数の参照物体を各々経由した前記複数の参照光とを重畳して前記干渉光を生成する重畳手段と、を含んでいることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記干渉系は、マイケルソン干渉計を用いた構成とされていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記検出系は、前記生成された前記干渉光の強度を前記周波数のシフト量に同期した変調周波数で周期的に変調することにより、当該変調周波数に対応する前記干渉光成分を前記干渉光から抽出する強度変調手段と、前記抽出された前記干渉光成分を受光し、電気信号に変換して出力する２次元光センサアレイと、を含んでいることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光画像計測装置であって、前記強度変調手段は、前記干渉光を前記変調周波数にて周期的に遮断するシャッタであることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の光画像計測装置であって、前記検出系は、前記生成された干渉光を複数に分割する干渉光分割手段を更に備え、前記強度変調手段及び前記２次元光センサアレイは、前記分割された前記複数の干渉光の各光路上に各々配置されていることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、光ビームを出射する光源と、この光源からの光ビームを平行光束にするとともにそのビーム径を拡大するレンズ系と、このレンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを、被測定物体の複数の深さ領域にて反射される前記拡大されたビーム径を有する信号光と、所定の参照物体により反射される前記拡大されたビーム径を有する参照光とに分割する第１のビームスプリッタと、前記参照光を複数に分割する第２のビームスプリッタと、前記第２のビームスプリッタにより分割された前記複数の参照光の各光路上に配置され、前記複数の参照光の周波数を各々異なる量だけシフトさせる周波数シフタと、前記複数の参照光の各光路上に配置され、前記被測定物体からの距離が各々異なるように配置された前記参照物体としての反射板と、前記周波数シフタにより前記周波数が各々シフトされ、前記反射板により各々反射された前記複数の前記参照光と、前記被測定物体の前記複数の深さ領域にて反射された前記信号光とを重畳することにより、前記各深さ領域毎に異なる周波数を有する複数の干渉光成分を含んだ前記拡大されたビーム径を有する干渉光を生成する第３のビームスプリッタと、前記生成された前記干渉光を前記周波数のシフト量のいずれかに同期した周波数で周期的に遮断することにより、当該同期した周波数に対応する前記干渉光成分を前記干渉光から抽出するシャッタと、前記抽出された前記干渉光成分を受光し、電気信号に変換して出力する２次元光センサアレイと、前記出力された電気信号に基づいて前記干渉光成分の強度及び位相の分布を演算し、当該強度及び位相の分布に基づいて前記干渉光成分に対応する前記深さ領域における前記被測定物体の反射率分布を演算し、当該反射率分布に基づいて当該深さ領域における２次元断面画像を形成するコンピュータと、を備えていることを特徴とする光画像計測装置である。

なお、本発明において、「周波数のシフト量に同期した（変調）周波数」の「同期」とは、（変調）周波数が当該シフト量と（ほぼ）同一である場合、（変調）周波数が当該シフト量のｎ倍である場合、及び１／ｎ倍である場合を示すものとする（ここで、ｎは２以上の整数とする）。

また、「深さ領域毎に異なる周波数」の「異なる」とは、各深さ領域に対応する周波数が、他の深さ領域に対応する周波数と同一でも、ｎ倍でも、１／ｎ倍でもないことを示していることとする。同様に、「周波数を各々異なる量だけシフトする」の「異なる」についても、各周波数のシフト量が、他の周波数のシフト量と同一でも、ｎ倍でも、１／ｎ倍でもないことを示すものとする。

本発明の光画像計測装置によれば、被測定物体の各深さ領域に対応する干渉光成分を含んだ干渉光を生成するとともに、当該干渉光から各干渉光成分を選択的に検出し、各干渉光成分に対応する深さ領域の２次元断面画像を形成することにより、各深さ領域の画像を並列的に取得することができる。

以下、本発明に係る光画像計測装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔装置の構成〕
図１は、本発明に係る光画像計測装置１の好適な一実施形態の概略構成を示している。光画像計測装置１は、例えば医療用や工業用に利用可能な装置であって、散乱媒質からなる被測定物体Ｏの複数の深さ領域の２次元断層画像を並列的に取得するための構成を備えている。ここで、被測定物体Ｏの深さ領域とは、被測定物体Ｏの或る深さ位置（図１中に示す３次元座標の或るｚ座標）における領域を示している。具体的には、図１中の符号Ｄ１〜Ｄｎで示すように、被測定物体Ｏの深さ方向（ｚ方向）の或る位置においてｘｙ平面方向に広がる範囲と、その深さ位置前後の所定のｚ方向の範囲とによって決定される領域である。当該所定のｚ方向の範囲は、干渉光Ｌにより検出可能なｚ方向の幅を示している。

光画像計測装置１は、低コヒーレントな光を出力するＳＬＤや発光ダイオード（ＬＥＤ）等からなる広帯域光源２と、この光源２からの光ビームを平行光束とするとともにそのビーム径を拡大するレンズ系３と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するビームスプリッタ４とを含んでいる。光源２は、連続光やパルス光などを適宜発光可能とされている。ちなみに、市販の近赤外域ＳＬＤのコヒーレント長は３０μｍ程度、ＬＥＤの場合には１０μｍ程度である。信号光Ｓは、被測定物体Ｏを経由する光路を伝搬し、被測定物体Ｏの複数の深さ領域Ｄ１〜Ｄｎにおいて反射される光ビームである。参照光Ｒは、所定の参照物体（後述の反射板７−１〜７−ｎ）を経由する光路を伝搬する光ビームである。

光画像計測装置１には、第１の参照系Ａ１〜第ｎの参照系Ａｎとして示すｎ個の参照系が設けられている。第１の参照系Ａ１は、電器光学変調器や音響光学変調器等からなる周波数シフタ６−１と、反射板７−１とを備えている。第２の参照系Ａ２〜第ｎの参照系Ａｎも同様に構成されている。ここで、ｎは２以上の任意の整数であるものとする。

ビームスプリッタ４によって分割された参照光Ｒの光路上には、参照光Ｒをｎ個の参照光Ｒ１〜Ｒｎに更に分割し、各参照光Ｒ１〜Ｒｎを対応する第１の参照系Ａ１〜第ｎの参照系Ａｎにそれぞれ導く、ビームスプリッタ５−１〜５−（ｎ−１）及び反射鏡５−ｎが配設されている。なお、参照系Ａｎを参照光Ｒの光路の延長上に設ける配置構成を採用する場合には、ビームスプリッタ５−（ｎ−１）を透過した参照光を反射する反射鏡５−ｎは不要である。

図示は省略するが、反射板７−１〜７−ｎを参照光Ｒ１〜Ｒｎの進行方向（図１中の点線矢印方向）に各々独立に移動させる駆動装置が設けられている。各反射板７−１〜７−ｎは、この駆動装置によって移動されることにより、被測定物体Ｏに対する距離を変更可能とされている。被測定物体Ｏの計測を行うとき、各反射板７−１〜７−ｎは、被測定物体Ｏに対して各々異なる距離となる各計測位置に配置される。各反射板７−１〜７−ｎの当該計測位置は、対応する被測定物体Ｏの深さ領域Ｄ１〜Ｄｎの深さ（ｚ座標）に応じて決定される。

また、上記の駆動装置によって反射板７−１等を図１中の点線矢印方向に移動させることにより参照光Ｒ１等にドップラー周波数シフトを与える構成としてもよい。その場合には周波数シフタ６−１等は不要である。ただし、参照光Ｒの周波数のシフト量（つまり干渉光のビート周波数）を大きくする必要がある場合などには、周波数シフタ６−１等による周波数シフトと上記ドップラー周波数シフトとを併用可能に構成することができる。

各参照系Ａ１〜Ａｎを経由した参照光Ｒ１〜Ｒｎを重ね合わせて得られる参照光Ｒと、被測定物体Ｏの各深さ領域Ｄ１〜Ｄｎにおいてそれぞれ反射された信号光Ｓとは、ビームスプリッタ４により重畳され、干渉光Ｌが生成される。すなわち、干渉光Ｌは、ビームスプリッタ４を透過する参照光Ｒの一部と、ビームスプリッタ４により反射される信号光Ｓの一部とが重畳されることにより生成される。

ここで、ビームスプリッタ４、ビームスプリッタ５−１〜５−（ｎ−１）、反射鏡５−ｎ、周波数シフタ６−１〜６−ｎ及び反射板７−１〜７−ｎは、本発明にいう「干渉系」を構成している。また、ビームスプリッタ４、ビームスプリッタ５−１〜５−（ｎ−１）、反射鏡５−ｎは、本発明の「分割手段」を構成し、周波数シフタ６−１〜６−ｎは、「周波数シフト手段」を構成している。更に、ビームスプリッタ４は、本発明の「重畳手段」、「第１のビームスプリッタ」及び「第３のビームスプリッタ」を構成している。本実施形態の光画像計測装置１は、マイケルソン干渉計を用いて構成されており、本発明の第１及び第３のビームスプリッタとして共通のビームスプリッタ４を使用しているが、マッハツェンダー干渉計など他の干渉計を用いる場合などには、第１及び第３のビームスプリッタを別々のビームスプリッタで構成してもよい。また、ビームスプリッタ５−１〜５−（ｎ−１）は、本発明の「第２のビームスプリッタ」を構成している。なお、図示は省略するが、光画像計測装置１には、干渉光Ｌを結像させる結像用レンズ群など他の光学素子が適宜配置されている。

ビームスプリッタ４により生成された干渉光Ｌは、ビームスプリッタ８−１、８−２により３つの光路に分割される。各光路を伝搬する干渉光Ｌは、液晶シャッタ等の高速シャッタなどからなるシャッタ９−１、９−２、９−３によりそれぞれ所定の周波数で周期的に遮断されサンプリングされる。サンプリングされた各干渉光Ｌは、蓄積型の２次元光センサアレイであるＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３により受光される。各ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３は、受光した干渉光Ｌを光電変換し電気信号として出力する。

シャッタ９−１、９−２、９−３は、それぞれＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３の直前に配置されている必要はなく、ビームスプリッタ８−１、８−２による干渉光Ｌの分岐点からＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３とを結ぶ各光路上の任意の位置に配設することが可能である。すなわち、シャッタ９−１、９−２、９−３は、各干渉光Ｌを周期的に遮断することにより、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３による受光量を周期的に０に変調することが可能な位置に配置されていれば十分である。

ここで、ビームスプリッタ８−１、８−２は、本発明にいう「干渉光分割手段」を構成する。また、シャッタ９−１、９−２、９−３は、本発明の「強度変調手段」を構成し、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３は、「光検出手段」を構成するものである。更に、シャッタ９−１、９−２、９−３とＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３は、本発明の「検出系」構成している。

更に、光画像計測装置１は、各シャッタ９−１、９−２、９−３の開閉タイミングを制御するタイミング信号を生成するための構成として、パルス信号を発生させるパルス信号発生器と、このパルス信号の位相をシフトさせて当該タイミング信号を各シャッタ９−１、９−２、９−３に出力する位相シフタとを備えている。位相シフタは、例えば各シャッタ９−１、９−２、９−３毎に設けられており、各シャッタ９−１、９−２、９−３に対するタイミング信号の位相をそれぞれ独立にシフトさせる。それにより、各シャッタ９−１、９−２、９−３は、それぞれに独立したタイミングで動作するようになっている。

各シャッタ９−１、９−２、９−３は、位相シフタからのタイミング信号に基づいて所定の周波数（本発明において変調周波数と称することとする）で干渉光Ｌをそれぞれ周期的に遮断することにより、各干渉光のサンプリングを行う。それにより、各ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３は、対応する干渉光Ｌを周期的に受光することとなり、各干渉光Ｌを周期的なパルス光として受光する。このとき、各シャッタ９−１、９−２、９−３はそれぞれ独立して開閉されるため、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３によりそれぞれ検出される干渉光Ｌのパルスは、所定の位相差を有するものとなる。ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３は、各ピクセルにて受光された干渉光Ｌを光電変換し、その変換結果であるヘテロダイン信号をコンピュータ２０に出力する。ヘテロダイン信号は、検出された干渉光の強度及び位相を反映した電気信号である。

コンピュータ２０は、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３から出力されるヘテロダイン信号に基づいて後述の演算処理を実行する。更に、コンピュータ２０は、当該演算処理の結果を解析して、被測定物体Ｏの所定の深さ領域における反射率分布を求め、その反射率分布に基づいて当該深さ領域の画像を形成する。形成された画像は、コンピュータ２０の図示しないモニタ装置等の表示装置に表示される。このようなコンピュータ２０は、上記のような演算を行うための演算プログラムを格納するＲＯＭやハードディスクドライブ等の記憶装置と、当該演算プログラムを実行するＣＰＵとを含んで構成される。当該コンピュータ２０は、本発明にいう「画像形成手段」を構成している。なお、本発明の画像形成手段としては、このようなコンピュータを光学的構成を格納する筐体の外部に設けたり、同一筐体内に配置させたりすることができる。

〔測定形態〕
続いて、以上のような構成の光画像計測装置１による測定形態について説明する。まず、オペレータは、被測定物体Ｏの各深さ領域Ｄ１〜Ｄｎを計測可能な位置に反射板７−１〜７−ｎを移動させる。具体的には、反射板７−１〜７−ｎは、各参照光Ｒ１〜Ｒｎと、対応する深さ領域Ｄ１〜Ｄｎにて反射された信号光Ｓの成分が干渉し合う位置に配置される。すなわち、ビームスプリッタ４に対する反射板７−ｋと深さ領域Ｄｋとの距離がほぼ等しくなるように、反射板７−ｋは配置される（ｋ＝１〜ｎ）。また、各周波数シフタ６−１〜６−ｎの周波数シフト量が設定される。当該シフト量は、オペレータが手動で設定してもよいし、所定のデフォルト値を使用してもよい。また、各周波数シフタ６−１〜６−ｎの設定に応じて、各シャッタ９−１〜９−ｎの開閉動作の周波数が設定される（詳細は後述する）。

光源２から出射された光ビームは、レンズ系３によってそのビーム径が拡大され、ビームスプリッタ４により信号光Ｓと参照光Ｒとに分割される。

信号光Ｓは、被測定物体Ｏに入射され、その表面及び内部にて反射される。当該反射光は、各深さ領域Ｄ１〜Ｄｎにより反射された成分を含んでいる。このとき、被測定物体Ｏは散乱媒質であるので、被測定物体Ｏにより反射された信号光Ｓは多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面となる。被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓは、被測定物体Ｏのビームスプリッタ４に再び入射される。

一方、参照光Ｒは、ビームスプリッタ５−１によりその一部（参照光Ｒ１）が反射されて第１の参照系Ａ１に入射する。参照光Ｒ１は、周波数シフタ６−１を通過して周波数がシフトされた後、反射板７−１に伝送されて反射される。反射された参照光Ｒ１は周波数シフタ６−１を再び通過して更なる周波数シフトを受けてビームスプリッタ５−１に入射する。なお、前述のように反射板７−１を移動させることにより参照光Ｒ１の周波数をシフトさせてもよい。

ビームスプリッタ５−１を透過した参照光Ｒは、ビームスプリッタ５−２によりその一部（参照光Ｒ２）が反射されて第２の参照系Ａ２に入射する。参照光Ｒ２は、周波数シフタ６−２を通過して周波数がシフトされ、反射板７−２により反射され、周波数シフタ６−２を再び通過して更なる周波数シフトを受けてビームスプリッタ５−２に入射する。

同様に、参照光Ｒは、各ビームスプリッタ５−ｋ（ｋ＝３〜ｎ−１）によりその一部（参照光Ｒｋ）が反射されて第ｋの参照系Ａｋに入射され、周波数シフタ６−ｋにより周波数シフトを受けてビームスプリッタ５−ｋに再入射する。

ビームスプリッタ５−（ｎ−１）を透過した参照光Ｒ（Ｒｎ）は、反射鏡５−ｎにより反射され、第ｎの参照系Ａｎに入射し、周波数シフタ６−ｎにより周波数シフトを受けて反射鏡５−ｎに再入射する。

ここで、周波数シフタ６−１〜６−ｎは、参照光Ｒ１〜Ｒｎに対して各々異なるシフト量だけ周波数を変化させる。各周波数シフタ６−１〜６−ｎによる周波数のシフト量はあらかじめ設定されている。

参照系Ａ１〜Ａｎを経由した参照光Ｒ１〜Ｒｎは、ビームスプリッタ５−１〜５−（ｎ−１）及び反射鏡５−ｎによって合成され、ビームスプリッタ４に再び入射する。この合成光のことも参照光Ｒと呼ぶこととする。当該参照光Ｒは、各々異なる量の周波数シフトを受けた参照光Ｒ１〜Ｒｎを周波数成分とする光ビームである。

被測定物体Ｏの各深さ領域Ｄ１〜Ｄｎに対応する成分を含んだ信号光Ｓと、各参照光Ｒ１〜Ｒｎを周波数成分とする参照光Ｒとは、ビームスプリッタ４によって重畳されて干渉光Ｌを生成する。このとき、反射板７−１〜７−ｎは上述のような配置設定であることから、深さ領域Ｄｋに対応する信号光Ｓの成分と、参照光Ｒの周波数成分Ｒｋとが干渉することとなる（ｋ＝１〜ｎ）。したがって、干渉光Ｌは、図２に示すように、深さ領域Ｄ１に対応する成分と周波数成分Ｒ１とからなる干渉光Ｌ１、深さ領域Ｄ２に対応する成分と周波数成分Ｒ２とからなる干渉光Ｌ２、・・・・・、深さ領域Ｄｎに対応する成分と周波数成分Ｒｎとからなる干渉光Ｌｎを成分して含んでいる。この干渉光Ｌ１〜Ｌｎを「干渉光成分」と称することとする。各干渉光成分Ｌ１〜Ｌｎは、上記の式（１）に示したように、干渉光Ｌの背景光からなる直流成分と、うなりの周波数（ビート周波数）を有する交流成分（ビート信号）とが重畳されたものと考えることができる。

干渉光Ｌは、ビームスプリッタ８−１によって２つに分割され、その一部がシャッタ９−１を介してＣＣＤカメラ１０−１により検出される。

また、ビームスプリッタ８−１を透過した干渉光Ｌは、次のビームスプリッタ８−２によって更に二分され、その一部がシャッタ９−２を介してＣＣＤカメラ１０−２により検出される。

ビームスプリッタ８−２を透過した干渉光Ｌは、シャッタ９−３を介してＣＣＤカメラ１０−３によって検出される。

ここで、ビームスプリッタ８−１による干渉光の分割率、つまり透過される干渉光と反射される干渉光Ｌとの強度比は２：１であることが望ましい。すなわち、ビームスプリッタ８−１は、入射光の２／３を透過させ、１／３を反射させる特性を有していることが望ましい。また、ビームスプリッタ８−２により透過される干渉光Ｌと反射される干渉光Ｌとの強度比は１：１であることが望ましい。すなわち、ビームスプリッタ８−２は、入射光の１／２を透過させ、１／２を反射させる特性を有していることが望ましい。これにより、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３により検出される干渉光Ｌは、それぞれ等しい強度レベルとされるので、後述の演算処理を行うのに好適である。ただし、分割される干渉光の強度比はこれに限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

前述の図２と図３〜図５は、シャッタ９−１、９−２、９−３による干渉光Ｌのサンプリング形態を説明するための図である。図３（Ａ）は、深さ領域Ｄ１に対応する成分と周波数成分Ｒ１とからなる干渉光成分Ｌ１の時間波形を示している。図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれシャッタ９−１、９−２、９−３の開閉動作を制御するサンプリング関数の一例を示している。これらサンプリング関数の周波数は、干渉光成分Ｌ１の周波数に等しいか、もしくはそれに近い値に設定されている。また、周波数シフタ６−１〜６−ｎは各々異なるシフト量を付与することから、干渉光成分Ｌ１〜Ｌｎは各々異なる周波数を有している。したがって、各シャッタ９−１、９−２、９−３は、干渉光Ｌから干渉光成分Ｌ１を選択的に抽出してサンプリングすることができる。

図３（Ｂ）に示すサンプリング関数をｍ_１（ｔ）とする。シャッタ９−１は、このサンプリング関数ｍ_１（ｔ）に基づいて周期的に開閉（ｏｎ−ｏｆｆ）させることにより干渉光成分Ｌ１のサンプリングを行う。サンプリング関数ｍ_１（ｔ）は、５０％ｄｕｔｙの矩形列からなる波形を有し、その周波数ｆ_ｓｍは、上述のように干渉光成分Ｌ１の周波数ｆ_ｉｆに等しいか、もしくはそれに近い値に設定されている（すなわち、ｆ_ｓｍ＝ｆ_ｉｆもしくはｆ_ｓｍ≒ｆ_ｉｆとされる）。

サンプリング関数ｍ_１（ｔ）によれば、干渉光成分Ｌ１の位相０〜πの範囲がサンプリングされる。ここで、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）の周波数ｆ_ｓｍと式（１）に示すような干渉光成分Ｌ１のビート周波数ｆ_ｉｆとの差（δｆ＝｜ｆ_ｉｆ−ｆ_ｓｍ｜）は、蓄積型光センサであるＣＣＤカメラ１０−１の応答周波数に比べて十分小さく設定されている。それにより、干渉光成分Ｌ１の各周期においてほぼ同じ位相範囲がサンプリングされるようになっている。このとき、干渉光成分Ｌ１を受光したＣＣＤカメラ１０−１からの出力ｉ_１（ｔ）は、測定時間内にＣＣＤカメラ１０−１に蓄積された光電荷量に比例しており、具体的には次式によって与えられる（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．２８、８１６（２００３）を参照）。

ここで、＜−＞はＣＣＤカメラ１０−１の蓄積効果による時間平均を表している。また、φは測定の初期位相値を表し、Ｋ_１はビームスプリッタ８−１の反射率とＣＣＤカメラ１０−１の光電変換率を含めた光検出効率を表している。

同様に、干渉光成分Ｌ１は、図３（Ｃ）に示すサンプリング関数ｍ_２（ｔ）に基づいてその開閉タイミングが制御されるシャッタ９−２によってサンプリングが施されてＣＣＤカメラ１０−２により検出される。このサンプリング関数ｍ_２（ｔ）は、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）と同一の周波数ｆ_ｓｍを有し、５０％ｄｕｔｙの矩形列の波形を有するものである。ここで、サンプリング関数ｍ_２（ｔ）は、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）に対して位相差Δθ_１，２を有する。この位相差Δθ_１，２は、位相シフタによる位相のシフト量をあらかじめ設定することによって生成される。以上のような条件の下に、式（２）と同様の原理で、ＣＣＤカメラ１０−２からは次のような出力ｉ_２（ｔ）が得られる。

ただし、Ｋ_２は、ビームスプリッタ８−１の透過率と、ビームスプリッタ８−２の反射率と、ＣＣＤカメラ１０−２の光電変換率とを含めた光検出効率である。

式（２）と式（３）から分かるように、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２からの出力には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度Ｉ_ｓ、Ｉ_ｒの項とともに、干渉光成分Ｌ１の振幅√（Ｉ_ｓＩ_ｒ）及び位相（２πδｆｔ＋φ）、（２πδｆｔ＋Δθ_１，２）に関わる項がそれぞれ含まれている。

更に、干渉光成分Ｌ１は、図３（Ｄ）に示すサンプリング関数ｍ_３（ｔ）に基づいてその開閉タイミングが制御されるシャッタ９−３によってサンプリングが施されＣＣＤカメラ１０−３により検出される。このサンプリング関数ｍ_３（ｔ）は、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）と同一の周波数ｆ_ｓｍを有し、５０％ｄｕｔｙの矩形列の波形を有するものである。ここで、サンプリング関数ｍ_３（ｔ）は、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）に対して位相差Δθ_１，３を有する。この位相差Δθ_１，３は、位相シフタによる位相のシフト量をあらかじめ設定することによって生成される。このとき、式（２）と同様の原理で、ＣＣＤカメラ１０−３からは次のような出力ｉ_３（ｔ）が得られる。

ただし、Ｋ_３は、ビームスプリッタ８−１、１２のそれぞれの透過率、及びＣＣＤカメラ１０−３の光電変換率を含めた光検出効率である。

図４及び図５に示す干渉光成分Ｌ２及びＬｎも、同様の原理によってサンプリングされ、各ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３により検出される。

〔演算処理〕
式（２）、（３）、（４）に示す各ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３から出力された電気信号は、コンピュータ２０に送信される。コンピュータ２０は、これらの出力結果を用いて以下に説明するような演算を実行することにより、干渉光成分Ｌ１の背景光、すなわち干渉光Ｌの背景光に対応する式（１）に示す直流成分と、干渉光成分Ｌ１の信号強度及び位相の空間分布とを算出する。コンピュータ２０は、この干渉光成分Ｌ１の強度及び位相の分布に基づいて、当該干渉光成分Ｌ１に対応する深さ領域Ｄ１における被測定物体Ｏの反射率分布を演算し、この反射率分布に基づいて当該深さ領域Ｄ１の２次元断面画像を形成する処理を実行する。なお、干渉光成分Ｌ１の強度及び位相情報に基づくコンピュータ２０の画像形成処理は、従来の装置と同様の方法で行われるものである。

ここで、図３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）とサンプリング関数ｍ_２（ｔ）との位相差Δθ_１，２は−π／２に設定され、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）とサンプリング関数ｍ_３（ｔ）との位相差Δθ_１，３はπ／２に設定されているものとする。このとき、干渉光成分Ｌ１の背景光からなる直流成分の強度Ｓ_１と位相直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）Ｓ_２及びＳ_３は、それぞれ以下の式により表される。

したがって、３つのＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３のうち２台のＣＣＤカメラ１０−２、１０−３からの電気信号に基づいて、干渉光Ｌの背景光に対応する直流成分の強度を算出することができる。

式（６）と式（７）を用いると、干渉光成分Ｌ１の振幅は次のように表される。

ここで、右辺に係る比例定数はπ／４である。したがって、式（５）により求めた直流成分を用いることにより、干渉光成分Ｌ１の振幅を算出することができる。したがって、上記直流成分とヘテロダイン信号の振幅とを足し合わせることにより、干渉光成分Ｌ１の強度を求めることができる。

更に、光画像計測装置１によれば、次のような測定方法により干渉光成分Ｌ１の位相の空間分布を求めて画像化することができる。

ある測定時間ｔ＝ｔ_１について、式（６）及び式（７）に示す干渉光成分Ｌ１の干渉成分Ｓ_２（ｔ_１）及びＳ_３（ｔ_１）が取得されると、これら双方の干渉成分の比を取ることによって次式に示すような信号が得られる。

この式（９）から分かるように、信号Ｓ_４は干渉光成分Ｌ１の振幅には依存せず、その位相情報のみを含んでいる。したがって、２次元光センサアレイであるＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３の各ピクセルにより出力される干渉光成分Ｌ１の位相φ（ｘ、ｙ、ｔ_１）は、次式のように表される。ここで、（ｘ、ｙ）は、これらＣＣＤ上に設定された各ピクセルの位置座標を示している。

この式（１０）の第２項２πδｆｔ_１は、ゼロあるいはほぼゼロの周波数δｆを有する交流信号の測定時間ｔ_１における瞬時位相値であり、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３のピクセルの位置（すなわち変数ｘ、ｙ）によらず一定であると仮定できる。したがって、ＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３上のある座標ｘ＝ｘ_１、ｙ＝ｙ_１に位置するピクセルにおけるヘテロダイン信号の位相φ（ｘ_１、ｙ_１、ｔ_１）に対する、各ピクセルからの信号の位相差を求めることにより、干渉光成分Ｌ１の位相の空間分布を画像化することができる。このような干渉光の位相の空間分布測定は、その位相値を基準とする画像計測、例えばヘテロダイン干渉法による鏡状表面の高精度計測に有効であると考えられる。

更に、上記の位相情報を用いると、干渉光成分Ｌ１の周波数情報を取得することができる。すなわち、干渉光成分Ｌ１に対応するヘテロダイン信号の周波数ｆ_ｉｆとサンプリング周波数ｆ_ｓｍとの周波数差δｆは、ある２つの測定時間ｔ＝ｔ_１及びｔ＝ｔ_２における位相の算出結果φ（ｘ、ｙ、ｔ_１）及びφ（ｘ、ｙ、ｔ_２）に基づき次式を用いて算出される。

サンプリング周波数ｆ_ｓｍは既知であるので、式（１１）による算出結果からヘテロダイン信号の周波数ｆ_ｉｆ、つまり干渉光成分Ｌ１の周波数を算出することができる。このようなヘテロダイン周波数の測定方法は、例えば被検眼眼底の血流の状態を計測する場合など、ヘテロダイン干渉法を用いたドップラー速度計測に有効に利用可能であると考えられる。

図４及び図５に示す干渉光成分Ｌ２及びＬｎについても、同様の原理によってその強度及び位相の空間分布を求めることができる。

上記実施形態の光画像計測装置１では、本発明の強度変調手段として高速シャッタ等のシャッタ９−１、９−２、９−３を備える構成を採用したが、強度変調手段はこれに限定されるものではない。例えば、干渉光を完全に遮断するこのようなシャッタ手段に代えて、干渉光を透過させる透過率を周期的に増減させることが可能な例えばＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ；空間光変調素子）などを設けることにより、ＣＣＤ等の光検出手段により受光される干渉光の強度を変調させて干渉光をサンプリングすることができる。すなわち、シャッタ手段は、光検出手段に受光される干渉光の強度を０と１００（最高強度）との間で切り換えるものであるが、本発明の強度変調手段としては、干渉光の強度を例えば１０と８０との間で周期的に切り換えるような構成を適用することが可能である。

更に、干渉光の強度変調は、２値間での切り換えだけではなく、３値以上の間を周期的に切り換える方式や、２値間を周期的にかつ連続的に変化させる方式を、サンプリング態様などに応じて採用することが可能である。なお、強度変調の幅は、ＣＣＤカメラの感度等を勘案して決定すればよい。本発明の強度変調手段としては、干渉光の強度を周期的に変調させることが可能であれば、いかなる構成を採用してもよい。強度変調手段と光検出手段とを一体的に構成することも可能である。

ビームスプリッタ４、５−１〜５−（ｎ−１）、８−１、８−２としては任意の形態のものを用いることができるが、キューブ型のビームスプリッタを用いると、空気との境界面における反射光がＣＣＤカメラに入射してしまうおそれがあるため、プレート型やウェッジ型などのビームスプリッタを用いることが好ましい。

光画像計測装置１には３つの単体のＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３が設けられているが、例えば３ＣＣＤタイプのカラーＣＣＤカメラのような３枚式ＣＣＤカメラ（ユニット）を使用し、各ＣＣＤチップの前位置に強度変調手段を配設することにより外見上１つのＣＣＤカメラとして構成してもよい。それにより、装置構成の簡略化や装置内の省スペース化などを図ることができる。

また、１つのＣＣＤカメラの受光面を複数の領域に分割し、各領域の前位置に強度変調手段を配置することにより、ＣＣＤカメラの各領域を１つのＣＣＤカメラに見立てて干渉光を検出するように構成することもできる。このとき、ＣＣＤカメラの当該複数の領域を覆う大きさの液晶ＳＬＭ等からなる強度変調手段を１つ配置し、ＣＣＤカメラの各領域に対応する強度変調手段の領域をそれぞれ制御することにより干渉光の検出を行うようにしてもよい。このような構成によれば、装置構成の簡略化や装置内の省スペース化を図ることができる。また、複数のＣＣＤカメラを互いに同期制御させてサンプリングする必要がなくなるので、制御系の簡略化を図ることも可能となる。

更に、ＣＣＤカメラに蓄積された電荷の直流成分のオフセット調整や交流信号のゲイン調整を適宜行うことにより、検出される干渉光が形成する干渉縞のコントラストを向上させるように構成してもよい。

また、参照物体として、２回反射の折り返しミラーやコーナーキューブを適用することにより、参照物体の移動距離を減少させることができる。それにより、装置内の省スペース化を図ることができ、また、参照物体を移動させる上記の駆動装置に掛かる負担や消費電力量を低減することが可能となる。

光画像計測装置１では、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）とサンプリング関数ｍ_２（ｔ）との位相差Δθ_１，２を−π／２に設定し、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）とサンプリング関数ｍ_３（ｔ）との位相差Δθ_１，３をπ／２に設定することにより、各干渉光成分のサンプリングを行うようになっているが、これに限定されるものではない。

また、光画像計測装置１は、ビート周波数と（ほぼ）等しいサンプリング周波数にて干渉光成分のサンプリングを行うように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、サンプリング周波数として、抽出したい干渉光成分のビート周波数の整数倍の周波数を適用すれば、干渉光の複数の位相範囲をそれぞれ周期的にサンプリングすることができる。この方法によれば、干渉光の各周期について複数の位相範囲をサンプリングできるので、干渉光をより詳細に解析することが可能となり、計測精度の向上が期待される。

一方、ビート周波数の整数分の１（１／ｎ）倍のサンプリング周波数を適用することも可能である。この方法によれば、干渉光の所定の位相範囲がｎ周期おきにサンプリングされるので、強度変調手段による強度の切り換えがビート周波数に追いつかないような場合に有効に利用することができる。

本発明の光画像計測装置に用いられるサンプリング関数は、５０％ｄｕｔｙのものを用いることが好ましい。すなわち、５０％未満のｄｕｔｙである場合にはＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３に受光される光量が減少し干渉光の検出効率が低下し、一方、５０％を超えるｄｕｔｙ比であっても検出効率がダウンしてしまうからである。ただし、５０％以外のｄｕｔｙのサンプリング関数を用いてよいことはいうまでもない。

また、本発明の光画像計測装置に用いられるサンプリング関数としては、シャッタ９−１、９−２、９−３の開閉タイミングを好適に切り換えるために、図３等に示すような矩形の波形を用いることが好ましい。ただし、正弦波や三角波などの矩形以外の波形からなるサンプリング関数を適宜用いることも可能である。

本発明に係る光画像計測装置は、上記実施形態のように干渉光を３つの光路に分割する構成に限定されるものではなく、分割される光路数は任意である。複数の光路に分割する場合には、各光路上にＣＣＤ等の光検出手段を設けるとともに、１つの光路を除く全ての光路上に強度変調手段を設ける構成とするか、又は全ての光路上に強度変調手段を設ける構成とすることが好ましい。前者の構成では、強度変調手段が配置されない光路を伝搬する干渉光成分を連続的に受光することにより、その直流成分を求めることが可能である。なお、測定方法や演算方法に応じて、分割された複数の光路のうち任意数の光路上に強度変調手段を設ける構成を適宜採用することができる。

また、本発明に係る光画像計測装置の光検出手段としては、上述したＣＣＤカメラ１０−１、１０−２、１０−３の他にも、積算回路を備えたラインセンサなどを適用することができる。本発明の光検出手段は、干渉光を受光して光電変換する機能と、受光した干渉光に基づく電荷を蓄積する機能との双方を備えている限り、１次元ないし２次元のあらゆる構成のものを用いることが可能である。

以上で説明した本発明の実施形態においては、マイケルソン型の干渉光学系を備えた光画像計測装置について説明したが、例えばマッハツェンダー型などその他の干渉光学系を採用することも当然に可能である（例えば、上記特許文献２参照）。

また、干渉光学系の一部に光ファイバ（バンドル）を設けて導光部材として用いることにより、装置設計上の自由度を高めたり、装置のコンパクト化を図ったり、あるいは、被測定物体の配置の自由度を高めたりすることができる（例えば、上記特許文献２参照）。

本発明の光画像計測装置を例えば眼科の分野に応用すると、被検眼の複数の部分の画像を並列的に取得することができる。例えば、反射板７−１、７−２、７−３を、被検眼の角膜、水晶体、網膜に各々対応する位置に配置させて測定を行うと、干渉光成分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ角膜、水晶体、網膜の情報を有する信号となる。各干渉光成分に同期した周波数でサンプリングを行うことにより、角膜、水晶体、網膜の２次元断面像をそれぞれ得ることができる。

また、各反射板７−１、７−２、７−３を干渉光成分の可干渉距離分だけ移動させることにより角膜等を深さ方向にスキャンすれば、画像取得の高速化を図ることができる。

また、第１の参照系Ａ１を経由する光路と、第２の参照系Ａ２を経由する光路との光路長差を網膜の厚さ程度に設定するとともに、干渉光成分Ｌ１が検出されたら干渉光成分Ｌ２の検出に自動的に移行するように制御することもできる。それにより、網膜の前面及び後面の測定を速やかに行うことができる。なお、網膜以外の部分を検出することや、３つ以上の干渉光成分の検出を連動させることも可能である。

本発明の光画像計測装置は、このような使用形態のほかにも、各種の医療的用途や工業的用途に用いることができる。

以上に詳述した構成は、本発明に係る光画像計測装置の実施形態の一例に過ぎないものであり、本発明の要旨の範囲内において各種の変形を施すことができる。

本発明に係る光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る光画像計測装置により検出される干渉光の時間波形を示すグラフ図である。 本発明に係る光画像計測装置による干渉光の第１の干渉光成分のサンプリング態様の一例を説明するための図である。図３（Ａ）は、第１の干渉光成分の時間波形を示すグラフである。図３（Ｂ）は、第１の干渉光成分をサンプリングするための第１のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図３（Ｃ）は、第１の干渉光成分をサンプリングするための第２のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図３（Ｄ）は、第１の干渉光成分をサンプリングするための第３のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。 本発明に係る光画像計測装置による干渉光の第２の干渉光成分のサンプリング態様の一例を説明するための図である。図４（Ａ）は、第２の干渉光成分の時間波形を示すグラフである。図４（Ｂ）は、第２の干渉光成分をサンプリングするための第１のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図４（Ｃ）は、第２の干渉光成分をサンプリングするための第２のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図３（Ｄ）は、第２の干渉光成分をサンプリングするための第４のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。 本発明に係る光画像計測装置による干渉光の第ｎの干渉光成分のサンプリング態様の一例を説明するための図である。図５（Ａ）は、第ｎの干渉光成分の時間波形を示すグラフである。図５（Ｂ）は、第ｎの干渉光成分をサンプリングするための第１のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図５（Ｃ）は、第ｎの干渉光成分をサンプリングするための第２のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。図５（Ｄ）は、第ｎの干渉光成分をサンプリングするための第３のサンプリング関数の波形の一例を示すグラフである。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ 光画像計測装置
２ 光源
３ レンズ系
４、５−１〜５−（ｎ−１）、８−１、８−２ ビームスプリッタ
５−ｎ 反射鏡
６−１〜６−ｎ 周波数シフタ
７−１〜７−ｎ 反射板
９−１、９−２、９−３ シャッタ
１０−１、１０−２、１０−３ ＣＣＤカメラ
２０ コンピュータ
Ａ１〜Ａｎ 参照系
Ｒ、Ｒ１〜Ｒｎ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ 干渉光
Ｌ１〜Ｌｎ 干渉光成分
Ｏ 被測定物体
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 深さ領域

Claims (7)

1. 光ビームを出射する光源と、
   この光源からの光ビームを平行光束にするとともにそのビーム径を拡大するレンズ系と、
   このレンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを基に、被測定物体の深さ領域毎に異なる周波数を有する複数の干渉光成分を含んだ前記拡大されたビーム径を有する干渉光を生成する干渉系と、
   前記生成された干渉光から前記各干渉光成分を選択的に検出する検出系と、
   前記検出された前記各干渉光成分に基づいて、当該各干渉光成分に対応する前記深さ領域における前記被測定物体の２次元断面画像を形成する画像形成手段と、
   を備えていることを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記干渉系は、
   前記被測定物体からの距離が各々異なるように配置された複数の参照物体と、
   前記レンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを、前記被測定物体の複数の前記深さ領域にて反射される前記拡大されたビーム径を有する信号光と、前記複数の参照物体を各々経由する前記拡大されたビーム径を有する複数の参照光とに分割する分割手段と、
   前記複数の参照光の周波数を各々異なる量だけシフトする周波数シフト手段と、
   前記被測定物体を経由した前記信号光と、前記周波数シフト手段により周波数が各々シフトされ、前記複数の参照物体を各々経由した前記複数の参照光とを重畳して前記干渉光を生成する重畳手段と、
   を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
3. 前記干渉系は、マイケルソン干渉計を用いた構成とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置。
4. 前記検出系は、
   前記生成された前記干渉光の強度を前記周波数のシフト量に同期した変調周波数で周期的に変調することにより、当該変調周波数に対応する前記干渉光成分を前記干渉光から抽出する強度変調手段と、
   前記抽出された前記干渉光成分を受光し、電気信号に変換して出力する２次元光センサアレイと、
   を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の光画像計測装置。
5. 前記強度変調手段は、前記干渉光を前記変調周波数にて周期的に遮断するシャッタであることを特徴とする請求項４に記載の光画像計測装置。
6. 前記検出系は、前記生成された干渉光を複数に分割する干渉光分割手段を更に備え、
   前記強度変調手段及び前記２次元光センサアレイは、前記分割された前記複数の干渉光の各光路上に各々配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光画像計測装置。
7. 光ビームを出射する光源と、
   この光源からの光ビームを平行光束にするとともにそのビーム径を拡大するレンズ系と、
   このレンズ系により平行光束とされてビーム径が拡大された光ビームを、被測定物体の複数の深さ領域にて反射される前記拡大されたビーム径を有する信号光と、所定の参照物体により反射される前記拡大されたビーム径を有する参照光とに分割する第１のビームスプリッタと、
   前記参照光を複数に分割する第２のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタにより分割された前記複数の参照光の各光路上に配置され、前記複数の参照光の周波数を各々異なる量だけシフトさせる周波数シフタと、
   前記複数の参照光の各光路上に配置され、前記被測定物体からの距離が各々異なるように配置された前記参照物体としての反射板と、
   前記周波数シフタにより前記周波数が各々シフトされ、前記反射板により各々反射された前記複数の前記参照光と、前記被測定物体の前記複数の深さ領域にて反射された前記信号光とを重畳することにより、前記各深さ領域毎に異なる周波数を有する複数の干渉光成分を含んだ前記拡大されたビーム径を有する干渉光を生成する第３のビームスプリッタと、
   前記生成された前記干渉光を前記周波数のシフト量のいずれかに同期した周波数で周期的に遮断することにより、当該同期した周波数に対応する前記干渉光成分を前記干渉光から抽出するシャッタと、
   前記抽出された前記干渉光成分を受光し、電気信号に変換して出力する２次元光センサアレイと、
   前記出力された電気信号に基づいて前記干渉光成分の強度及び位相の分布を演算し、当該強度及び位相の分布に基づいて前記干渉光成分に対応する前記深さ領域における前記被測定物体の反射率分布を演算し、当該反射率分布に基づいて当該深さ領域における２次元断面画像を形成するコンピュータと、
   を備えていることを特徴とする光画像計測装置。

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