JP4409332B2

JP4409332B2 - 光画像計測装置

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Publication number: JP4409332B2
Application number: JP2004100742A
Authority: JP
Inventors: キンプイチャン; 正博秋葉; 康文福間; 浩之大塚; 央塚田
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Priority date: 2004-03-30
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Publication date: 2010-02-03
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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（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｏｄｅ；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４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４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５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。

以上のような従来の光画像計測装置では、鏡（１０２、２０２）をｚ方向に移動させて被測定物体を深さ方向に走査することにより、複数の深さにおける画像を取得するようになっている。このとき、鏡は所定の速度で移動される。したがって、被測定物体は所定の間隔で深さ方向に走査され、例えば深さ５μｍ毎に物体内部の画像が取得されるようになっている。

例えば、計測を詳細に行う必要がない場合などには、このように小さな間隔で走査を行う必要はなく、より大きな間隔で走査を行えば十分である。一方、計測を詳細に行いたい場合などには、より小さな間隔で走査を行う必要がある。

このようなニーズに対処するためには、上記鏡の移動速度を制御して走査間隔を変更する構成が考えられる。しかし、鏡の移動制御を精密に行うことは機構的に困難であるため、被測定物体の走査間隔、すなわち被測定物体の断面画像を取得する間隔（画像取得間隔）を精度よく変更することは容易ではなかった。

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．２Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、「ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」、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、被測定物体の深さ方向の走査間隔を精度よく容易に変更することが可能な光画像計測装置を提供することを目的とする。

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、被測定物体を経由する信号光と所定の参照物体を経由する参照光とに分割し、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせた後に、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを互いに重畳させて干渉光を生成する干渉光学系とを含んでおり、前記干渉光に基づいて、前記参照物体の位置に対応する深さにおける前記被測定物体の画像を取得する光画像計測装置であって、前記干渉光の強度を所定の周波数にて周期的に変調する強度変調手段と、前記強度変調された前記干渉光を受光して光電変換し、所定の蓄積時間だけ電荷を蓄積した後に当該蓄積した電荷量に対応する電気信号を出力する光検出手段と、前記参照物体を移動させて前記被測定物体の深さ方向の走査を行う駆動手段と、前記駆動手段に前記参照物体を所定の速度で移動させる制御と、前記光検出手段の前記蓄積時間を変更する制御とを行う制御手段と、前記参照物体が前記所定の速度で移動されているときに、前記変更された蓄積時間毎に前記光検出手段から出力される前記電気信号に基づき、当該深さに対応する前記干渉光の強度及び位相を順次に演算することで、前記被測定物体の複数の深さのそれぞれに対応する前記強度及び位相を求める演算手段と、を備えていることを特徴とする。

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、前記光検出手段は、前記駆動手段による前記走査に応じて、前記被測定物体の複数の深さに対応する前記干渉光に基づく複数の前記電気信号を、前記制御手段により変更された蓄積時間毎に順次出力し、前記演算手段は、前記光検出手段から順次出力される前記複数の電気信号に基づいて、前記光検出手段により検出される前記被測定物体の前記複数の深さに対応する前記干渉光の強度及び位相を演算す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２に記載の光画像計測装置であって、前記制御手段は、前記光検出手段の蓄積時間を変更することにより、前記駆動手段による前記走査における走査間隔を変更す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１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、オペレータの操作を受けて前記光検出手段の前記蓄積時間の設定値情報を出力する設定操作手段を更に備え、前記制御手段は、前記設定操作手段からの前記蓄積時間の設定値情報に基づいて前記光検出手段の前記蓄積時間を変更す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２又は請求項３に記載の光画像計測装置であって、オペレータの操作を受けて前記走査間隔の設定値情報を出力する設定操作手段を更に備え、前記制御手段は、前記光検出手段の前記蓄積時間を、前記設定操作手段からの前記走査間隔に対応する蓄積時間に変更す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１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光検出手段はＣＣＤカメラであることを特徴とする。

本発明の光画像計測装置によれば、光検出手段の蓄積時間を変更可能であり、当該変更された蓄積時間毎に干渉光を検出するように構成されているので、当該蓄積時間に応じた走査間隔に対応する深さ毎に被測定物体の画像を取得することができる。したがって、蓄積時間を変更するだけで、被測定物体の深さ方向の走査間隔を変更することが可能である。また、光検出手段の蓄積時間を変更することによって走査間隔を変更するように構成されているので、走査間隔の変更を精度よく行うことができる。

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。

以下、本発明に係る実施形態の一例として、干渉光の光路を３つに分割し、各光路の干渉光を各々受光して得られるヘテロダイン信号に基づいて干渉光の信号強度及び位相の空間分布を取得する構成の光画像計測装置について説明する。なお、干渉光の光路を分割せずにそのまま検出する構成や、光路を２つに分割して検出する構成、あるいは４つ以上の光路に分割して検出する構成を適宜採用することができる。

〔装置の構成〕
図１は、本発明に係る光画像計測装置１の概略構成の一例を示している。この光画像計測装置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の深さ（ｚ方向）ごとの２次元断層画像を取得して３次元画像を形成するための構成を備えている。

光画像計測装置１は、従来の装置と同様に、低コヒーレントな連続光を出力する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３、４と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するとともに、それらを重畳して干渉光Ｌを生成するビームスプリッタ５と、全反射鏡からなる鏡７とを含んでいる。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。また、図示は省略するが、鏡７を参照光の進行方向に移動（ｚ−スキャン）させるための参照鏡駆動手段が設けられている。この参照鏡駆動手段については、図２を参照して後述する。

また、鏡７の直前には、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が配置され、通過する参照光Ｒの周波数をシフトするようになっている。なお、鏡７を移動させて参照光Ｒにドップラー周波数シフトを付与する構成を採用する場合には、周波数シフタ６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による周波数シフトと鏡７の移動による周波数シフトとを併用可能に構成してもよい。

ここで、レンズ３、４、ビームスプリッタ５、周波数シフタ６及び鏡７は、本発明にいう「干渉光学系」を構成している。また、鏡７は、本発明の「参照物体」を構成するものである。

また、光画像計測装置１には、ビームスプリッタ５により生成された干渉光Ｌを結像させる結像用レンズ群８と、この干渉光Ｌを２つの干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に分割するビームスプリッタ１１、１２と、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイであるＣＣＤ（カメラ）２１、２２、２３と、これらＣＣＤの直前に配置され、干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をそれぞれ周期的に遮断する液晶シャッタ等の高速シャッタなどからなるシャッタ３１、３２、３３とが設けられている。

なお、シャッタ３１、３２、３３は、それぞれＣＣＤ２１、２２、２３の直前に配置されている必要はなく、ビームスプリッタ１１、１２による干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の分岐点からＣＣＤ２１、２２、２３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３１、３２、３３は、各干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を遮断することにより、ＣＣＤ２１、２２、２３が受光する干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の光量を０に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、ＣＣＤ２１、２２、２３は、本発明の「光検出手段」を構成する。更に、シャッタ３１、３２、３３は、本発明の「強度変調手段」を構成するものである。

更に、光画像計測装置１は、周期的にパルス信号を発生するパルス信号発生器５０と、このパルス信号発生器５０が発生したパルス信号の位相をシフトさせることにより、各シャッタ３１、３２、３３の開閉タイミングをそれぞれ独立に制御するためのタイミング信号として出力する位相シフタ４１、４２、４３とを備えている。

各シャッタ３１、３２、３３は、位相シフタ４１、４２、４３からのタイミング信号に基づいて所定の周波数で干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３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ＣＣＤ２１、２２、２３は、対応する干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を周期的に受光することとなり、後述する図３（Ｃ）に示すように、干渉光を周期的なパルスの列として受光する。このとき、各シャッタ３１、３２、３３はそれぞれ独立して開閉されるため、ＣＣＤ２１、２２、２３によりそれぞれ検出される干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のパルスは、所定の位相差を有するものとなる。ＣＣＤ２１、２２、２３は、各ピクセルにて受光された干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を光電変換し、その変換結果であるヘテロダイン信号を信号処理部６０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。

信号処理部６０は、ＣＣＤ２１、２２、２３から出力されるヘテロダイン信号に基づいて後述する演算処理を実行する本発明の「演算手段」である。更に、信号処理部６０は、当該演算処理の結果を解析することにより、被測定物体Ｏの２次元断面画像などの各種画像を形成し、図示しないモニタ装置等の表示装置に表示させる処理を行う。このような信号処理部６０は、例えば、所定の演算プログラムを格納したＲＯＭ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コンピュータなどにより構成される。

光源２から出射された光ビームは、レンズ３とレンズ４によってそのビーム径を広げられ、ビームスプリッタ５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、その表面形態及び内部形態の情報を含む反射光波としてビームスプリッタ５に再び入射される。

一方、参照光Ｒは、周波数シフタ６を通過して周波数がシフトされた後、鏡７に伝送されて反射される。反射された参照光Ｒは周波数シフタ６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に再び入射される。なお、前述のように鏡７をｚ−スキャンさせることにより参照光Ｒの周波数をシフトさせてもよい。

被測定物体Ｏからの信号光Ｓの一部はビームスプリッタ５により反射され、同時に、周波数シフトを受けた参照光Ｒの一部はビームスプリッタ５を透過する。それにより、信号光Ｓと参照光Ｒとはビームスプリッタ５により重畳されて干渉光Ｌが生成される。この干渉光Ｌは、結像用レンズ群８を経由してビームスプリッタ１１へと伝搬される。

干渉光Ｌは、ビームスプリッタ１１によってその光路が２つに分割される。ビームスプリッタ１１により反射された干渉光Ｌ１は、シャッタ３１を介してＣＣＤ２１により検出される。

また、ビームスプリッタ１１を透過した干渉光は、次のビームスプリッタ１２によってその光路が更に二分される。ビームスプリッタ１２により反射された干渉光Ｌ２は、シャッタ３２を介してＣＣＤ２２により検出される。

一方、ビームスプリッタ１２を透過した干渉光Ｌ３は、シャッタ３３を介してＣＣＤ２３によって検出される。

なお、ビームスプリッタ１１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Ｌ１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１１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１２により透過される干渉光Ｌ３と反射される干渉光Ｌ２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１２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、ＣＣＤ２１、２２、２３により検出される干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３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。

（制御系の構成）
次に、本実施形態の光画像計測装置１が備える制御系の構成について、図２のブロック図を更に参照しながら説明する。光画像計測装置１の制御系は、ＣＣＤ２１、２２、２３をそれぞれ駆動制御するＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３と、参照物体としての鏡７を移動させる参照鏡駆動手段７４と、オペレータによる操作を受けてＣＣＤ２１、２２、２３の（電荷）蓄積時間の設定値情報を出力する設定操作手段７５と、ＣＣＤ２１等の蓄積時間の変更に関する各種の動作を制御する制御手段７６とを備えている。

ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３は、制御手段７６からの制御信号に基づき、蓄積時間を制御するパルス信号を生成してＣＣＤ２１、２２、２３に各々出力するＣＣＤ駆動回路により構成される。

参照鏡駆動手段７４は、参照光Ｒの進行方向（図１における上下方向）に沿って鏡７を移動させる駆動装置により構成される。この参照鏡駆動手段７４としては、機械的構成や電磁的構成からなる駆動装置を適宜使用することができる。例えば、ステッピングモータと歯車等を用いた装置やソレノイドなどを用いることができる。なお、参照鏡駆動手段７４は、本発明にいう「駆動手段」を構成している。

設定操作手段７５は、例えば、信号処理部６０を構成する上記のコンピュータのキーボードやマウス等により構成される。ＣＣＤの蓄積時間の設定を行う場合、コンピュータのモニタ装置には所定の設定画面が表示され、オペレータはこの設定画面にしたがって操作を行う。また、光画像計測装置１に専用の操作パネル等が設けられている場合、設定操作手段７５はこの操作パネル上に設けられる。当該操作パネルとしては、タッチパネルやキーパッドなどが用いられる。設定操作手段７５は、オペレータにより蓄積時間の設定操作を受けると、この設定値情報を電気信号として制御手段７６に送信する。

制御手段７６は、例えば上記コンピュータのＣＰＵからなる。当該コンピュータのＲＯＭやハードディスク等の記憶装置には、蓄積時間の設定に基づいて光画像計測装置１の動作を制御する制御プログラムが格納されている。制御手段７６としてのＣＰＵは、当該制御プログラムをＲＡＭ上に展開することにより、動作制御用の信号を生成して装置各部に出力する。

なお、オペレータが設定操作手段７５を用いて実際に設定する対象は、ＣＣＤの蓄積時間ではなく、例えば、被測定物体Ｏの深さ方向の走査間隔（深さ方向に何μｍ毎にスキャンを行うかを示す間隔）等であってもよい。すなわち、測定時においてオペレータが設定したいのは走査間隔であるため、このように構成することにより装置の操作性が向上する。このように、設定操作手段７５により走査間隔を設定する構成を採用する場合、例えば次の２つのような構成を適用することができる。第１に、設定操作手段７５は、走査間隔の設定値に対応する蓄積時間の値を求め、これを電気信号として制御手段７６に送信する構成を適用できる。また、第２に、設定操作手段７５は、走査間隔の設定値を電気信号として制御手段７６に送信し、制御手段７６は、この電気信号に対応する蓄積時間の値を求める構成を適用できる。

〔測定形態〕
続いて、光画像計測装置１による干渉光Ｌの強度及び位相の測定形態について説明する。光画像計測装置１は、シャッタ３１、３２、３３の開閉タイミングによって所定の位相差が与えられた干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をサンプリングして検出を行うことにより、干渉光Ｌの信号強度及び位相の空間分布を取得するものである。

まず、オペレータが、設定操作手段７５を操作してＣＣＤの蓄積時間を所望の値に設定すると、設定操作手段７５は、その設定値情報を制御手段７６に送信する。制御手段７６は、この蓄積時間の設定値情報に応じて、ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３、及び参照鏡駆動手段７４をそれぞれ制御する。

制御手段７６による制御形態を具体的に説明する。まず、制御手段７６は、ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３に対して、当該設定値情報に示す蓄積時間毎にパルス信号を出力するように制御する蓄積時間制御信号を送信する。また、制御手段７６は、参照鏡駆動手段７４に対して、鏡７の移動速度を制御する参照鏡制御信号を送信する。なお、参照鏡駆動手段７４による鏡７の駆動速度が固定されている場合には、制御手段７６は参照鏡制御信号を出力する必要はない。

ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３は、制御手段７６からの蓄積時間制御信号に基づいて、設定された蓄積時間毎にパルス信号を発生してＣＣＤ２１、２２、２３に各々出力する。各ＣＣＤ２１、２２、２３は、このパルス信号に基づいて蓄積時間を変更し調整する。

また、参照鏡駆動手段７４は、制御手段７６からの参照鏡制御信号に基づいて、所定の速度で鏡７を駆動するように設定される。なお、鏡７の移動開始位置及び移動方向は、被測定物体Ｏをスキャンする深さに応じて別途に設定される。例えば、移動開始位置は、被測定物体Ｏのビームスプリッタ５側表面位置に設定され、鏡７の移動方向は、当該表面位置から被測定物体Ｏの内部方向に向かう方向に設定される。

測定が開始されると、ＣＣＤ２１、２２、２３は、シャッタ３１、３２、３３によりサンプリングされた干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を受光し光電変換するとともに、設定された蓄積時間だけ電荷を蓄積し、その電荷量に対応する電気信号を信号処理部６０に出力する。シャッタ３１等及びＣＣＤ２１等の動作と並行して、参照鏡駆動手段７４は、鏡７を所定の速度で駆動して被測定物体Ｏを深さ方向にスキャンする。それにより、被測定物体Ｏは、設定された蓄積時間に対応する所望の深さ毎にスキャンされ、後述するような演算処理に基づいて各深さの断層画像が形成されることとなる。特に、参照鏡駆動手段７４が鏡７を一定速度で駆動する場合であっても、所望の深さ毎に被測定物体Ｏの画像を取得することができる。

このような画像形成処理について、より具体的に説明する。まず、参照鏡駆動手段７４による鏡７の駆動速度を一定値ｖとする。被測定物体Ｏの深さ方向における目的の画像取得間隔をｄとし、取得される画像の深さ方向の座標をＤ１（ビームスプリッタ５側の表面）、Ｄ２、Ｄ３、・・・とする。このとき、Ｄｎ＜Ｄ（ｎ＋１）、ｎ＝１、２、３、・・・であり、｜Ｄｎ−Ｄ（ｎ＋１）｜＝ｄである。オペレータは、設定操作手段７５を操作して、当該画像取得間隔ｄに対応するＣＣＤ２１等の目的の蓄積時間を設定入力する。当該設定値をｔとする。なお、上述のように、設定操作手段７５を用いて画像取得間隔を設定可能な構成の場合、オペレータは当該画像取得間隔ｄを設定入力する。ここで、ＣＣＤ２１等の蓄積時間と画像取得間隔とは、（画像取得間隔ｄ）＝（蓄積時間における鏡７の移動距離）＝（鏡７の駆動速度ｖ）×（蓄積時間ｔ）により関連付けられる。なお、この画像取得間隔は、参照物体（鏡７）の駆動に基づく被測定物体の深さ方向の走査の間隔（すなわち上述の走査間隔）と同一である。

オペレータがＣＣＤ２１等の蓄積時間の設定値ｔを入力すると、設定操作手段７５は、この設定値ｔを設定値情報として制御手段７６に送信する。制御手段７６は、ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３に対して、当該設定値情報に示す時間ｔ毎にパルス信号を出力するように制御する蓄積時間制御信号を送信する。

鏡７は、ビームスプリッタ５に対して表面Ｄ１と同距離の初期位置に配置される。測定開始とともに、光源２は光ビームを出力し、ＣＣＤ駆動手段７１、７２、７３はＣＣＤ２１、２２、２３に対して時間ｔの間隔でパルス信号を出力してＣＣＤ２１等の蓄積時間を当該時間ｔに設定し、参照鏡駆動手段７４は一定の駆動速度ｖで鏡７を駆動する。

測定開始時には、鏡７が上記初期位置に配置されているので、ＣＣＤ２１等は被測定物体Ｏの表面Ｄ１からの反射光をコヒーレントな成分とする干渉光Ｌ１等を受光する。ＣＣＤ２１等は、ＣＣＤ駆動手段７１等からのパルス信号が入力されるまでの間、すなわち時間ｔの間干渉光Ｌ１等を受光して電荷を蓄積する。ＣＣＤ２１等は、当該パルス信号を受けると、蓄積した電荷量に対応する電気信号を信号処理部６０に出力する。

この時間ｔの間、鏡７は参照鏡駆動手段７４により距離ｄだけ移動される。したがって、時間ｔの経過後、ＣＣＤ２１等は、被測定物体Ｏの深さＤ２からの反射光をコヒーレントな成分とする干渉光Ｌ１等を受光する。ＣＣＤ２１等は、更に時間ｔが経過するまで、つまり測定開始から時間２ｔが経過するまで、干渉光Ｌ１等を受光して電荷を蓄積する。ＣＣＤ２１等は、ＣＣＤ駆動手段７１等から次のパルス信号を受けたことに対応して、測定開始後の経過時間ｔから２ｔまでの時間ｔの間に蓄積した電荷量に対応する電気信号を信号処理部６０に出力する。

測定開始後の経過時間ｔから２ｔまでの時間ｔの間に、鏡７は更に距離ｄだけ移動される。すると、ＣＣＤ２１等には、被測定物体Ｏの深さＤ３からの反射光をコヒーレントな成分とする干渉光Ｌ１等が入射される。

このように、ＣＣＤ２１等は、（蓄積）時間ｔ毎に干渉光Ｌ１等を検出する。更に、測定開始からの経過時間ｋ×ｔ（ｋ＝１、２、３、・・・）において検出される干渉光Ｌ１等のコヒーレントな成分は、被測定物体Ｏの深さＤｋにおける信号光Ｓの反射光となる。したがって、ＣＣＤ２１等は、その蓄積時間ｔ毎に、被測定物体Ｏの深さＤ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・をコヒーレントな成分とする干渉光Ｌ１等を順次検出することとなる。そして、順次取得されるこの検出結果に対して後述の演算処理を施すことにより、被測定物体Ｏの複数の深さＤ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・に対応する干渉光Ｌ１等の強度と位相が演算され、その演算結果から取得される各深さＤ１等における反射率に基づいて、各深さＤ１等の断面画像が形成される。

（サンプリング動作）
以下、光画像計測装置１による干渉光のサンプリング動作の一具体例を説明する。図３は、シャッタ３１による干渉光Ｌ１のサンプリング動作を説明するための図である。図３（Ａ）は、光センサＣＣＤ２１により受光される干渉光Ｌ１の時間波形を示すものである。干渉光Ｌ１によるヘテロダイン信号は、上記の式（１）に示したように、参照光Ｒと信号光Ｓの強度に比例する背景光からなる直流成分と、干渉光Ｌ１のうなりの周波数（ビート周波数）を有する交流成分（ビート信号などとも呼ばれる）とが重畳されたものと考えることができる。

そこで、図３（Ｂ）に示すサンプリング関数ｍ_１（ｔ）に基づいてシャッタ３１を周期的に開閉（ｏｎ−ｏｆｆ）させることにより干渉光Ｌ１をサンプリングする。サンプリング関数ｍ_１（ｔ）は、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形列からなる波形を有し、その周波数ｆ_ｓｍは、式（１）に示すビート周波数ｆ_ｉｆに等しいか、もしくはそれに近い値に設定される（すなわち、ｆ_ｓｍ＝ｆ_ｉｆもしくはｆ_ｓｍ≒ｆ_ｉｆとされる）。

図３（Ｃ）は、このサンプリング関数ｍ_１（ｔ）を用いてサンプリングを行ったときに、ＣＣＤ２１に入射される干渉光Ｌ１の時間波形を概略的に示している。ここで、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）の周波数ｆ_ｓｍと式（１）に示すヘテロダイン信号のビート周波数ｆ_ｉｆとの差（δｆ＝｜ｆ_ｉｆ−ｆ_ｓｍ｜）は、蓄積型光センサであるＣＣＤ２１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Ｌ１の各周期においてほぼ同じ位相の部分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Ｌ１を受光したＣＣＤ２１からの出力ｉ_１（ｔ）は、測定時間内にＣＣＤ２１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、「ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．２８、８１６（２００３）を参照）。

ここで、＜−＞はＣＣＤ２１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１１の反射率とＣＣＤ２１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Ｌ２は、所定のサンプリング関数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３２によってサンプリングが施されてＣＣＤ２２により検出される。このサンプリング関数ｍ_２（ｔ）は、干渉光Ｌ１をサンプリングするサンプリング関数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４１、４２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、ＣＣＤ２２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１１の透過率と、ビームスプリッタ１２の反射率と、ＣＣＤ２２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、ＣＣＤ２１、２２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Ｌ１、Ｌ２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Ｌ３は、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３３によってサンプリングが施されＣＣＤ２３により検出される。このサンプリング関数ｍ_３（ｔ）は、干渉光Ｌ１をサンプリングするサンプリング関数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４１、４３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、ＣＣＤ２３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１１、１２のそれぞれの透過率、及びＣＣＤ２３の光電変換率を含めた光検出効率である。

〔演算処理〕
式（２）、（３）、（４）に示す各ＣＣＤ２１、２２、２３から出力された電気信号は、信号処理部６０に送信される。信号処理部６０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Ｌの背景光に対応する式（１）に示すヘテロダイン信号の直流成分と、干渉光Ｌすなわちヘテロダイン信号の信号強度及び位相の空間分布とを算出する。

ここで、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Ｌの背景光からなるヘテロダイン信号の直流成分の強度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ＣＣＤ２１、２２、２３のうち２台のＣＣＤ２２、２３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、式（１）に示すヘテロダイン信号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、ヘテロダイン信号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、ヘテロダイン信号の強度、すなわち干渉光Ｌの強度を求めることができる。

これにより、光画像計測装置１は、背景光の強度の事前測定が困難な画像計測、例えば運動物体の光断層画像計測などに有効であることを示している。また、背景光となる直流成分の強度を別途に測定しておく必要がないため、計測プロセスの簡略化を図ることができる。したがって、計測の手間が軽減され、計測時間が短縮されることとなる。

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Ｌ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）に示すヘテロダイン信号の干渉成分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Ｌ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ＣＣＤ２１、２２、２３の各ピクセルにより出力されるヘテロダイン信号の位相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、ＣＣＤ２１、２２、２３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、ＣＣＤ２１、２２、２３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、各ピクセルからのヘテロダイン信号の位相差を求めることにより、このヘテロダイン信号、すなわち干渉光Ｌ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Ｌの周波数情報を取得することができる。すなわち、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Ｌ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。

〔作用効果〕
以上のような構成の光画像計測装置１によれば、ＣＣＤ２１、２２、２３の蓄積時間を変更することができる上に、鏡７を駆動することにより被測定物体Ｏを深さ方向に走査しながら、蓄積時間おきに干渉光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を検出することができる。それにより、走査速度（すなわち鏡７の駆動速度）と蓄積時間とに応じた走査間隔毎に被測定物体Ｏを計測できる。更に、ＣＣＤ２１、２２、２３の蓄積時間を変更することにより、被測定物体Ｏの深さ方向の走査間隔、すなわち画像取得間隔を精度よく、そして容易に変更することが可能である。

また、オペレータは、設定操作手段７５を用いることにより、ＣＣＤ２１、２２、２３の蓄積時間を所望の値に設定できる。そして、光画像計測装置１は、その設定値に基づいて被測定物体Ｏを深さ方向に走査して計測を実行する。したがって、オペレータは被測定物体Ｏの走査間隔を所望の値に設定でき、その設定された走査間隔で精度よく計測を行うことができる。

更に、参照鏡駆動手段７４による鏡７の移動速度が一定値に固定されている場合でも、ＣＣＤ２１、２２、２３の蓄積時間を変更することにより、被測定物体Ｏの深さ方向の走査間隔を変更することができる。したがって、参照鏡駆動手段７４の構成を簡略化させつつ、被測定物体Ｏの深さ方向の走査間隔を精度よく容易に変更することが可能である。

光画像計測装置１によれば、ＣＣＤ２１、２２、２３の蓄積時間を長くすることによって、被測定物体Ｏを走査する際の走査間隔を大きくする、すなわち画像取得間隔を大きくすることができる。例えば、通常使用時には５μｍ程度の走査間隔を１００μｍ程度に拡大することができる。それにより、この程度の画像取得間隔を有する超音波診断装置等の画像計測装置による画像と、光画像計測装置１による画像とを比較することが可能となり実用上便利である。

また、例えば被測定物体Ｏとしての患者の画像を取得し、その病変部等の注目部位を診断する場合、最初に大きな走査間隔にて画像を取得し、当該画像を基に注目部位の位置を確認するとともに、当該注目部位付近を５μｍ程度の走査間隔で高分解能にて計測を行うことにより、注目部位の位置を容易にかつ迅速に特定することができ、更に、当該注目部位の詳細な画像を容易にかつ迅速に取得することができる。

更に、走査間隔を変更しながら被測定物体Ｏの深さ方向の走査を実行することも可能である。例えば、被測定物体Ｏの表層部付近を詳細に計測し、深部についてはさほど詳細な計測を必要としない場合には、表層部付近における走査間隔を小さくして細かなステップで断層画像を取得し、一方、深部においては走査間隔を大きくして大きなステップで断層画像を取得することができる。このように、本実施形態の光画像計測装置１によれば、走査間隔を様々に変更することによって、以上のような好適な使用方法を実現することが可能である。なお、光画像計測装置１は、以上の使用方法への適用に限定されるものではなく、走査間隔を適宜変更することによって、他の各種の使用方法に適用できることはいうまでもない。

〔各種変形例〕
なお、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３１、３２、３３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（ＳｐａｔｉａｌＬｉｇｈｔＭｏｄｕｌａｔｏｒ；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５、１１、１２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。

また、光画像計測装置１では、レンズ３、４が配置される照明系の光路と、結像用レンズ群８等が配置される検出系の光路とを分離した構成の光学系を採用することにより、それぞれの光路上の光学素子による反射の影響を解消している。

光画像計測装置１には３つの単体のＣＣＤ２１、２２、２３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の各領域を１つのＣＣＤ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、ｚ−スキャンを行う際の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際に参照鏡駆動手段７４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。

上記の実施形態では、ビート周波数と（ほぼ）等しいサンプリング周波数にてサンプリングを行っているが、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、干渉光のうなりの周波数、つまり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ＣＣＤ２１、２２、２３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、上記の図３〜図５に示すようなサンプリングを行う場合などにおいては、適宜所望のｄｕｔｙ比を適用することが可能である。

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３１、３２、３３の開閉タイミングを好適に切り換えるために、図３に示すような矩形波からなる関数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ができることはいうまでもない。特に、干渉光の透過と遮断との切り換えを行うシャッタ手段以外の強度変調手段を用いる場合に、矩形以外の波形を有効に用いることができる。例えば、正弦波形や三角波形のサンプリング関数を用いて強度変調手段の透過率を連続的に変化させることにより透過する干渉光の強度を変調させれば、ＣＣＤに受光される干渉光の強度を連続的に変調させることができる。

また、正弦波形のサンプリング関数を用いることにより、フーリエ解析に関する演算処理速度の向上が期待される。

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、干渉光の光路の分割数は任意である。複数の光路に分割する場合には、図１に示したように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、各光路上にＣＣＤ等の光検出手段を設けるとともに、１つの光路以外の光路上にシャッタ等の強度変調手段を設ける構成とすることが好ましい。後者の構成を採用する場合には、強度変調手段の無い光路上の光検出手段によって干渉光を連続的に検出するとともに、その検出結果の時間平均を算出することにより、干渉光の背景光に対応する直流成分を求めることができる。このような構成以外にも、測定方法や演算方法に応じて、干渉光の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た構成を適宜に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ＣＣＤ２１、２２、２３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、上述した眼底の血流状態の測定のほか、網膜や角膜の２次元断面像などを得ることができる。それにより、例えば角膜の内皮細胞数などを測定することが可能となる。なお、医療用や工業用などその他の分野にも各種の応用が可能であることはいうまでもない。

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の制御系の概略構成の一例を示すブロック図である。本発明に係る光画像計測装置による干渉光のサンプリング態様の一例を示す図である。図３（Ａ）は、干渉光の時間波形を示すグラフである。図３（Ｂ）は、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、サンプリングされた干渉光の波形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広帯域光源
３、４レンズ
５、１１、１２ビームスプリッタ
６周波数シフタ
７、１０鏡
８結像用レンズ群
２１、２２、２３ＣＣＤ
３１、３２、３３シャッタ
４１、４２、４３位相シフタ
５０パルス信号発生器
６０信号処理部
７１、７２、７３ＣＣＤ駆動手段
７４参照鏡駆動手段
７５設定操作手段
Ｒ参照光
Ｓ信号光
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３干渉光
Ｏ被測定物体

Claims

光ビームを出射する光源と、この光源からの光ビームを、被測定物体を経由する信号光と所定の参照物体を経由する参照光とに分割し、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせた後に、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを互いに重畳させて干渉光を生成する干渉光学系とを含んでおり、前記干渉光に基づいて、前記参照物体の位置に対応する深さにおける前記被測定物体の画像を取得する光画像計測装置であって、
前記干渉光の強度を所定の周波数にて周期的に変調する強度変調手段と、
前記強度変調された前記干渉光を受光して光電変換し、所定の蓄積時間だけ電荷を蓄積した後に当該蓄積した電荷量に対応する電気信号を出力する光検出手段と、
前記参照物体を移動させて前記被測定物体の深さ方向の走査を行う駆動手段と、
前記駆動手段に前記参照物体を所定の速度で移動させる制御と、前記光検出手段の前記蓄積時間を変更する制御とを行う制御手段と、
前記参照物体が前記所定の速度で移動されているときに、前記変更された蓄積時間毎に前記光検出手段から出力される前記電気信号に基づき、当該深さに対応する前記干渉光の強度及び位相を順次に演算することで、前記被測定物体の複数の深さのそれぞれに対応する前記強度及び位相を求める演算手段と、
を備えていることを特徴とする光画像計測装置。
前記光検出手段は、前記駆動手段による前記走査に応じて、前記被測定物体の複数の深さに対応する前記干渉光に基づく複数の前記電気信号を、前記制御手段により変更された蓄積時間毎に順次出力し、
前記演算手段は、前記光検出手段から順次出力される前記複数の電気信号に基づいて、前記光検出手段により検出される前記被測定物体の前記複数の深さに対応する前記干渉光の強度及び位相を演算することを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
前記制御手段は、前記光検出手段の蓄積時間を変更することにより、前記駆動手段による前記走査における走査間隔を変更することを特徴とする請求項２に記載の光画像計測装置。
オペレータの操作を受けて前記光検出手段の前記蓄積時間の設定値情報を出力する設定操作手段を更に備え、
前記制御手段は、前記設定操作手段からの前記蓄積時間の設定値情報に基づいて前記光検出手段の前記蓄積時間を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
オペレータの操作を受けて前記走査間隔の設定値情報を出力する設定操作手段を更に備え、
前記制御手段は、前記光検出手段の前記蓄積時間を、前記設定操作手段からの前記走査間隔に対応する蓄積時間に変更することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光画像計測装置。
前記光検出手段はＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。