JP4597744B2 - 光画像計測装置及び光画像計測方法 - Google Patents

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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及び光画像計測方法に関する。特に、光ヘテロダイン検出法を利用して被測定物体の画像を形成する光画像計測装置及び光画像計測方法において、被測定物体内を流れる流体等の移動体の移動速度を表現する画像を形成する技術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するもので、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、マイケルソン型の干渉計に基づく従来の光画像計測装置の基本構成を図１４に示す。この光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３及び光検出器２０４を含んで構成されている。被測定物体２０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源２０１からの光ビームは、ビームスプリッタ２０３により、鏡２０２に向かう参照光Ｒと被測定物体２０５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２０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ２０３の透過光である。
ここで、図１４に示すように、信号光Ｓの進行方向をｚ軸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２０２は、同図中の両側矢印方向に変位（ｚ−スキャン）可能とされている。
参照光Ｒは、鏡２０２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２０５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２０５を経由した信号光と、鏡２０２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２０３によって重畳されて干渉光を生成する。
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２０２の位置を移動させて参照光Ｒの光路長を変化させることにより、被測定物体２０５の様々なｚ座標（計測深度）における反射光の情報を含み干渉光が生成され、それにより被測定物体２０５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２０５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２０４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２０５の２次元断層画像が取得される（例えば、非特許文献１を参照）。
なお、ビームスプリッタ２０３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ＩｒとＩｓとし、両光波の間の周波数差及び位相差をそれぞれｆｉｆ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）。
Figure 0004597744
式（１）の右辺第３項は交流電気信号であり、その周波数ｆｉｆは参照光Ｒと信号光Ｓのうなり（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ｆｉｆ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２０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体２０５の計測深度方向（ｚ方向）及び断層面方向（ｘ−ｙ面上）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２０５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１５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３００は、広帯域光源３０１、鏡３０２、ビームスプリッタ３０３、光検出器としての２次元光センサアレイ３０４、及びレンズ３０６、３０７を含んで構成されている。光源３０１から出射された光ビームは、レンズ３０６、３０７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３０３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３０２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３０５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３０５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３０３により重畳され、２次元光センサアレイ３０４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ｘ−ｙ方向に走査させることなく、被測定物体３０５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、並列配置された複数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構成されている。
しかし、このような構成において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る必要があり、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分野や工業分野等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。当該文献に記載の光画像計測装置は、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、参照光と信号光とからなる干渉光の光路を二分し、各光路上に光遮断装置と光センサ（２次元光センサアレイ）を有している。２つの光路上の光遮断装置のサンプリング周期には位相差π／２が設定される。それにより、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、両光センサからの出力からそれに含まれる背景光の強度を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する。そして、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。
なお、以上のような光画像計測装置の２次元光センサアレイとしてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラなどの市販のイメージセンサが広く用いられている。しかし、現在市販されているＣＣＤカメラは周波数応答特性が低く、数ＫＨzから数ＭＨz程度のヘテロダイン信号のビート周波数に追従できないという問題点が従来から認識されていた。特許文献１記載の光画像計測装置は、当該問題点を十分に認識した上で、その応答特性の低さを利用して計測を行っている点が特徴的であるといえる。
ところで、以上のような光画像計測技術において、生体組織の血管内を流れる血液の血流速度など、被測定物体内の移動体の速度を計測する技術が進展を見せている。例えば、非特許文献４に示す手法は、被測定物体内の移動体の或る１方向の速度成分、すなわち移動体の３次元速度ベクトルの内の１方向成分を計測するものである。
また、特許文献２には、移動体の３次元速度ベクトルの３つの成分全てを計測するための技術として、コヒーレント光源からの光波を４つに分け、それぞれ３個の周波数シフタを透過させて第１光波、第２光波、第３光波及び前記周波数シフタを通さずに参照光として光検出器に入射される第４光波となし、前記第１光波は対物レンズの光軸上を該対物レンズに入射し、前記第２光波は前記対物レンズの周辺部で該対物レンズに入射し、その出射光波はＸ−Ｚ平面内でなす角θで前記第１光波と交叉させ、さらに前記第３光波は前記対物レンズの周辺部で該対物レンズに入射し、その出射光波は、Ｙ−Ｚ平面内でなす角θで前記第１光波と交叉させ、生体組織である散乱体が所定速度で移動しているとき、前記散乱体による散乱光は、前記光検出器でヘテロダイン検出され、ＲＦスペクトラムアナライザーで周波数分析される構成が開示されている。
しかし、この特許文献２記載の構成によれば、被測定物体を広範囲に亘って計測する場合、被測定物体を移動させて計測位置を走査する手段（サンプルステージ）が必要となるので、計測に長時間が掛かってしまうという問題があった。
また、特許文献２の構成を生体組織の計測に適用する場合、特に人眼の網膜血管内を流れる血液の血流速度等を計測する場合において、生体組織自体の移動により計測位置の走査を行うことは、装置構成や計測精度などを考慮すると困難であると思われる。
特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落［００６８）−［００８４）、第１図） 特開２００２−２１４１３０号公報（請求項、明細書段落［００２１］、［００２７］、第３図） 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、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．３０ １７５３、（１９９４） ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＬＥＣＴＥＤ ＴＯＰＩＣＳ ＩＮ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＶＯＬ．５、ＮＯ．４ ＪＵＬＹ／ＡＵＧＵＳＴ １９９９
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、被測定物体内の移動体の速度の分布を表現する画像の計測において、被測定物体の広範囲に亘る計測を迅速に行うことが可能な光画像計測装置及び光画像計測方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、生体組織の血管内を流れる血液の血流速度等の分布を表現する画像の計測において、被測定物体の広範囲に亘る計測を有効に行うことが可能な光画像計測装置及び光画像計測方法を提供することを他の目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力手段と、前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大手段と、前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する光ビーム分割手段と、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、一方が前記第１の変換手段による直線偏光を、他方が前記第２の変換手段による偏光特性をそれぞれ有する、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光と、を重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳手段と、前記生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光の異なる複数の偏光成分をそれぞれ受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する２次元光検出手段と、前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成手段と、を備え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に記載の光画像形成装置であって、前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数を変更する第１の変調周波数変更手段を更に備え、前記２次元光検出手段は、前記第１の変調周波数変更手段による前記強度変調の周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度変調される前記光ビームに基づく前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成手段は、前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記重畳手段により生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを分離する偏光ビームスプリッタを更に備え、前記２次元光検出手段は、前記分離された前記Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分のそれぞれの光路上に設けられている、ことを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、低コヒーレントな光ビームを出力する光源と、前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大手段と、前記ビーム径が拡大された前記光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する光ビーム分割手段と、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳手段と、前記生成された前記重畳光の強度を周期的に変調する強度変調手段と、前記強度が変調された前記重畳光を受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する２次元光検出手段と、前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記強度変調手段による前記強度の変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布と表す速度分布画像を形成する画像形成手段と、を備えることを特徴とする光画像計測装置である。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光画像形成装置であって、前記強度変調手段による前記強度の変調周波数を変更する第２の変調周波数変更手段を更に備え、前記２次元光検出手段は、前記第２の変調周波数変更手段による前記変調周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度が変調される前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成手段は、前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記強度変調手段による前記変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の光画像計測装置であって、前記重畳手段により生成された前記重畳光の光路を複数に分割する重畳光分割手段を更に備え、前記２次元光検出手段は、前記複数の光路に分割された前記重畳光をそれぞれ受光して検出信号を出力する、ことを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記参照光の光路長を変更して前記被測定物体の計測深度を変更する光路長変更手段を更に備え、前記２次元光検出手段は、前記光路長変更手段による前記光路長の変更に応じて、異なる複数の計測深度に対応する複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成手段は、前記出力された前記複数の計測深度のそれぞれに対応する前記検出信号に基づいて、前記それぞれの計測深度に対応する２次元の前記速度分布画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の速度分布画像を前記計測深度の方向に配列し、更に画像処理を施して、３次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、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る周波数シフト手段を更に備えていることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記画像形成手段により形成された前記速度分布画像を表示する表示手段を更に備えていることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記被測定物体は被検眼の網膜及び／又はその下部組織であり、前記移動体は、前記網膜及び／又はその下部組織の血管内を流通する血液もしくはあらかじめ注入された造影剤を含んだ血液である、ことを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力ステップと、前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大ステップと、前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換ステップと、前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する光ビーム分割ステップと、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換ステップと、一方が前記第１の変換ステップによる直線偏光を、他方が前記第２の変換ステップによる偏光特性をそれぞれ有する、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光と、を重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳ステップと、前記生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光の異なる複数の偏光成分を２次元光検出手段によりそれぞれ受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する検出ステップと、前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成ステップと、を含むことを特徴とする光画像計測方法である。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光画像計測方法であって、前記光ビーム出力ステップは、前記強度変調の周波数を変更しつつ前記光ビームを出力し、前記検出ステップは、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度変調される前記光ビームに基づく前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成ステップは、前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数に基づく２次元の画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、低コヒーレントな光ビームを出力するステップと、前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大ステップと、前記ビーム径が拡大された前記光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する光ビーム分割ステップと、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳ステップと、前記生成された前記重畳光の強度を周期的に変調する強度変調ステップと、前記強度が変調された前記重畳光を２次元光検出手段により受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する検出ステップと、前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記強度変調ステップによる前記強度の変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成ステップと、を含むことを特徴とする光画像計測方法である。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の光画像計測方法であって、前記強度変調ステップは、前記変調周波数を変更しつつ前記重畳光の強度を変調し、前記検出ステップは、前記変調周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度が変調される前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成ステップは、前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記強度変調ステップによる前記変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の光画像計測方法であって、前記参照光の光路長を変更して前記被測定物体の計測深度を変更する光路長変更ステップを更に含み、前記検出ステップは、前記参照光の光路長の変更に応じて、異なる複数の計測深度に対応する複数の前記検出信号を出力し、前記画像形成ステップは、前記出力された前記複数の計測深度のそれぞれに対応する前記検出信号に基づいて、前記それぞれの計測深度に対応する２次元の前記速度分布画像を形成するとともに、前記形成された複数の前記２次元の速度分布画像を前記計測深度の方向に配列し、更に画像処理を施して、３次元の前記速度分布画像を形成する、ことを特徴とする。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測方法であって、前記画像形成ステップにて形成された前記速度分布画像を表示する表示ステップを更に含んでいることを特徴とする。
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１１ないし請求項１６のいずれか一項に記載の光画像計測方法であって、前記被測定物体は被検眼の網膜及び／又はその下部組織であり、前記移動体は、前記網膜及び／又はその下部組織の血管内を流通する血液もしくはあらかじめ注入された造影剤を含む血液である、ことを特徴とする。
請求項１又は請求項１１に記載の本発明によれば、低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させて出力し、出力された光ビームのビーム径を拡大し、光ビームの偏光特性を直線偏光に変換し、光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割し、直線偏光の信号光又は参照光の偏光特性を変換し、一方が第１の変換ステップによる直線偏光を、他方が更に変換された偏光特性をそれぞれ有する、被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた信号光と、参照物体を経由した参照光とを重畳させて、信号光に対する周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成し、生成された重畳光に含まれる干渉光の異なる複数の偏光成分をそれぞれ受光して、干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力し、出力された検出信号に含まれる干渉周波数成分のうち、光ビーム出力ステップによる強度変調の周波数に略等しいビート周波数に対応する干渉周波数成分に基づいて、移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成するように構成されているので、ビーム径の拡大された光ビームを用いて２次元の画像を一度に取得できる。それにより、被測定物体内における移動体の速度分布画像の計測において、被測定物体の広範囲に亘る計測を迅速に行うことが可能である。
また、請求項４又は請求項１３に記載の本発明によれば、低コヒーレントな光ビームを出力し、出力された光ビームのビーム径を拡大し、ビーム径が拡大された光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割し、被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた信号光と、参照物体を経由した参照光とを重畳させて、周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成し、生成された重畳光の強度を周期的に変調し、強度が変調された重畳光を受光して、干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力し、出力された検出信号に含まれる干渉周波数成分のうち、強度変調ステップによる強度の変調周波数に略等しいビート周波数に対応する干渉周波数成分に基づいて、移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成するように構成されているので、ビーム径の拡大された光ビームを用いて２次元の画像を一度に取得できる。それにより、被測定物体内における移動体の速度分布画像の計測において、被測定物体の広範囲に亘る計測を迅速に行うことが可能である。
また、本発明によれば、ビーム径の拡大された光ビームを用いて計測を行うので、信号光の進行方向に直交する方向（ｘ−ｙ方向）に被測定物体を移動させてスキャンする必要がないので、被測定物体が生体組織である場合でも、その血管内を流れる血液の血流速度等の分布を表す速度分布画像の計測において、被測定物体の広範囲に亘る計測を有効に行うことができる。
更に、請求項７又は請求項１５に記載の本発明によれば、参照光の光路長を変更して被測定物体の計測深度を変更可能に構成されているので、計測深度方向（ｚ方向）のスキャンについても被測定物体を移動させる必要がない。したがって、生体組織の速度分布画像をより好適に計測することが可能となる。
以下、本発明に係る光画像計測装置及び光画像計測方法の好適な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。
本発明は、医療や工業等の分野における被測定物体の断層画像や表面画像等の２次元画像、更にはその３次元画像の形成等に利用される。本発明における被測定物体としては、例えば医療分野においては散乱媒質からなる人眼等の生体組織が対象となる。更に、本発明は、生体組織（たとえば網膜やその下部組織）の血管内を流れる血液など、被測定物体内に移動体が存在するときに、その移動体の移動速度（血流速度など）を表現する画像を形成するための構成を備えている。
なお、本発明にいう「移動体」は、被測定物体内を移動する任意の計測対象物を意味する。更に、この移動体は、固体、液体、気体、ゲルなど任意の状態のものであってよい。
〈第１の実施形態〉
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態は、被測定物体の情報を有する干渉光に含まれる複数の偏光成分をそれぞれ検出することにより、被測定物体の画像を形成するものである。
［装置構成］
本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の構成を図１、２を参照して説明する。図１は本実施形態の光画像計測装置の光学系の概略構成の一例を表し、図２はその制御系の構成の一例を表している。
〔光学系の構成〕
まず、図１を参照して本実施形態の光画像計測装置の光学系の構成について説明する。同図に示す光画像計測装置１は、低コヒーレントな光ビームを出力する広帯域光源２と、この光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、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本発明の「拡大手段」を構成するレンズ４、５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、それらを重畳して重畳光Ｌを生成するハーフミラー６と、参照光Ｒの偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する波長板７と、参照光Ｒの進行方向に対して直交する反射面により参照光Ｒを全反射する参照鏡８と、参照鏡８の反射面の背面に設けられたピエゾ素子９とを含んでいる。
広帯域光源２は、ＳＬＤやＬＥＤ（発光ダイオード）等により構成される。なお、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。広帯域光源２は、パルス駆動器２Ａから出力される所定の周波数のパルス信号により駆動されて、パルス状の光ビームを周期的に出力する（詳細は後述する）。このとき、広帯域光源２からの光ビームは、例えば、５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。広帯域光源２及びパルス駆動器２Ａは、本発明の「光ビーム出力手段」を構成している。
図１中に示すｘｙｚ座標系は、広帯域光源２から出力された光ビームの進行方向をｚ方向とし、それに直交する光ビームの振動面をｘ−ｙ平面として定義している。ｘ方向、ｙ方向は、光ビームの電場（電界）成分の振動面、磁場（磁界）成分の振動面に一致するように定義される。また、ｚ方向は、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓの進行方向として定義されるとともに、被測定物体Ｏの計測深度方向としても定義される。
偏光板３は、本発明にいう「第１の変換手段」を構成し、広帯域光源３からの光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光変換素子である。本実施形態における偏光板３は、上記ｘｙｚ座標系のｘ軸及びｙ軸に対してそれぞれ４５°をなす角度方向の振動成分を透過させるように構成される。それにより、偏光板３を透過した光ビームは、角度４５°の直線偏光を有するものとなる。したがって、当該光ビームのｘ軸方向及びｙ軸方向における偏光成分は、それぞれ等しい振幅を有している。換言すれば、当該光ビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有する。
ハーフミラー６は、平行光束とされた直線偏光の光ビームを、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓと参照鏡８に向かう参照光Ｒとに分割するように作用し、本発明の「光ビーム分割手段」を構成する。ハーフミラー６は、光ビームの一部（半分）を反射して参照光Ｒを形成するとともに、その残りを透過させて信号光Ｓを形成する。
このハーフミラー６は、更に、本発明の「重畳手段」を構成するものであり、被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓの一部を反射するとともに参照鏡８を経由した参照光Ｒの一部を透過させることにより、信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて重畳光Ｌを生成するように作用する。この重畳光Ｌは、広帯域光源２から出力された光ビームと等しい周波数のパルス光である。
なお、本実施形態においては、反射体としての被測定物体Ｏ及び参照鏡８と、ハーフミラー６とによって形成されるマイケルソン型の干渉計が用いられていることから、光ビーム分割手段と重畳手段とを同一のハーフミラー６（の異なる反射面）により構成している。一方、マッハツェンダー型などの他の干渉計を採用する場合には、光ビーム分割手段と重畳手段とは、それぞれ別々の光学素子によって構成されていてもよい。また、光ビーム分割手段及び重畳手段としては、出力された光ビームや信号光Ｓや参照光Ｒの偏光特性に影響を与えない無偏光型の任意のビームスプリッタを適用することが望ましい。
波長板７は、本発明の「第２の変換手段」を構成し、偏光板３により直線偏光とされた参照光Ｒの偏光特性を変換する偏光変換素子である。本実施形態における波長板７としては、１／８波長板が用いられる。それにより、参照光Ｒには、波長板７を通過するときに、そのＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差π／４が与えられる。参照光Ｒは、ハーフミラー６から参照鏡８に向かうときと、参照鏡８に反射されてハーフミラー６に再入射するときに、それぞれ当該位相差を与えられるので、結果として位相差π／２が付与される。したがって、４５°の直線偏光を有する参照光Ｒに対して１／４波長板と同様に作用することから、ハーフミラー６に再入射される参照光Ｒは円偏光に変換されることとなる。なお、上述のようにマッハツェンダー型などの他の干渉計を用いる場合には、１／４波長板等を適宜用いることができる。
参照鏡８は、本発明の「参照物体」を構成する。参照鏡８は、ピエゾ素子９により参照光Ｒの光路方向に移動されて、被測定物体Ｏの様々な深度（ｚ座標）による信号光Ｓの反射光を抽出する。より具体的に説明すると、広帯域光源２からの光ビームは低コヒーレント光であるから、参照光Ｒとほぼ等距離を経由した信号光Ｓのみが重畳光Ｌに含まれる干渉光の生成に寄与する。つまり、ハーフミラー６に対して参照鏡８とほぼ等距離にある被測定物体Ｏのｚ座標の領域からの反射光のみが参照光Ｒと干渉してビート周波数を生ずる。したがって、参照鏡８の位置を移動（ｚ−スキャン）させて参照光Ｒの光路長を変更することにより、被測定物体Ｏの様々なｚ座標の領域からの反射光を逐次抽出することができる。このように、参照鏡８とピエゾ素子９は、本発明にいう「光路長変更手段」を構成するものである。
また、参照鏡８は、ピエゾ素子９により、参照光Ｒの光路方向に振動されて、参照光Ｒに周波数シフトを与えるようになっている。このとき、参照鏡８とピエゾ素子９は、本発明の「周波数シフト手段」を構成している。
ここで、重畳光Ｌについて説明する。重畳光Ｌは、信号光Ｓと参照光Ｒとが重畳されて生成される。参照光Ｒについては上述したので、信号光Ｓについて説明する。被測定物体Ｏを人眼の網膜（眼底）とする。なお、被測定物体Ｏは人眼の網膜には限定されず、任意の動物の眼の網膜であってもよい。そのような検査対象となる眼を「被検眼」と総称する。
図１１に網膜の概略形態を示す。網膜１０００には、視神経乳頭１００１を通じて網膜動脈や網膜静脈等の血管１００２が形成されている。血管１００２内には、血液（移動体）が流れている。血管１００２は、網膜１０００内を３次元的にくねるような形状に形成され、血液の流れの向きは３次元的である。したがって、血管１００２の任意の位置における血流速度は３次元のベクトルで表現される。
図１２は、血管１００２の任意の位置Ｐにおける血液の流れを表している。なお、同図中、信号光Ｓは上方から入射され、ｘｙｚ座標系のｚ方向は下方に設定されている（つまりハーフミラー６は上方に位置する）。血管１００２の位置Ｐにおける血流速度（移動体の移動速度）を３次元ベクトルＶで表し、血流速度Ｖのｘ、ｙ、ｚの各成分をＶｘ、Ｖｙ、Ｖｚと表す。
このとき、信号光Ｓは、−ｚ方向から入射するので、血流速度Ｖのｚ成分Ｖｚによる影響を受ける。すなわち、信号光Ｓは、血管１００２の位置Ｐにおいて反射されるときに、血流に起因するドップラー効果によって周波数がシフトされる。位置Ｐにおける周波数シフト量は、血流速度Ｖのｚ成分Ｖｚに依存する。なお、信号光Ｓは、レンズ４、５によりビーム径が拡大されているため、位置Ｐを経由する部分のみが当該周波数シフトを受ける。
このように、血管１００２の任意の位置を経由した信号光Ｓの部分は、それぞれ、その位置における血流速度のｚ成分に起因する周波数シフトを受けるので、被測定物体Ｏから出射した信号光Ｓには、一般に、血管１００２の異なる位置に対応する複数の周波数の成分が含まれることとなる。
以上のことから、重畳光Ｌには、参照鏡８の動きにより参照光Ｒに付与される周波数シフトと、血管１００２内を流れる血液により信号光Ｓに付与される周波数シフトとの差に対応するビート周波数の干渉光が含まれる。したがって、重畳光Ｌには、血管１００２の異なる位置を経由した信号光Ｓの複数の部分に対応する、異なるビート周波数の干渉光が複数含まれることとなる。各干渉光のビート周波数成分は、その基となった信号光Ｓの部分が血流から受けた周波数シフト量に対応している。なお、血管１００２の異なる位置であっても、それらの位置における血流速度のｚ成分が等しい場合には、それらの位置に対応する干渉光は等しいビート周波数を有する。
さて、本実施形態の光画像計測装置１の構成の説明に戻る。光画像計測装置１は、更に、ハーフミラー６により生成された重畳光Ｌを結像させるための結像用レンズ群１０と、重畳光Ｌの光路を二分する偏光ビームスプリッタ１１と、二分された重畳光Ｌの光路上に設けられたＣＣＤ（カメラ）２１、２２と、ＣＣＤ２１、２２のそれぞれによる検出結果を処理する信号処理部２０とを含んでいる。
偏光ビームスプリッタ１１は、重畳光に含まれる干渉光の異なる複数の偏光成分を分離するように作用する。より具体的には、偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光のＳ偏光成分を含む重畳光Ｌの一部（重畳光Ｌ１と記す）を反射してＣＣＤ２１に案内するとともに、干渉光のＰ偏光成分を含む重畳光Ｌの一部（重畳光Ｌ２と記す）を透過させてＣＣＤ２２に案内するように作用する。なお、上述したように、干渉光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、偏光板３の偏光軸の配置（４５°）により、それぞれ等しい振幅を有している。
ＣＣＤ２１、２２は、本発明にいう「２次元光検出手段」を構成するものであり、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。ＣＣＤ２１は、偏光ビームスプリッタ１１により反射された重畳光Ｌ１を受光し、それを光電変換して検出信号を生成し信号処理部２０に出力する。ＣＣＤ２１が受光する重畳光Ｌ１には干渉光のＳ偏光成分が含まれている。同様に、ＣＣＤ２２は、偏光ビームスプリッタ１１を透過した重畳光Ｌ２を受光し、それを光電変換して検出信号を生成し信号処理部２０に出力する。ＣＣＤ２２が受光する重畳光Ｌの一部には干渉光のＰ偏光成分が含まれている。
また、上述したように、重畳光Ｌ（よって重畳光Ｌ１、Ｌ２）には、ビート周波数の異なる複数の干渉光が含まれている。したがって、各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号には、それら複数の干渉光のビート周波数成分（本発明の「干渉周波数成分」）が含まれている。各干渉周波数成分は、対応する干渉光のビート周波数と等しい周波数を有している。
信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号に基づいて後述する演算処理を実行し、更に、当該演算処理の結果を解析して被測定物体Ｏの２次元（断層）画像を形成する処理を行う。信号処理部２０により形成されるこの２次元断層画像は、信号光Ｓの光路が参照光Ｒのそれとほぼ等しくなる被測定物体Ｏの深度（ｚ座標）におけるｘ−ｙ断層画像である。このように、光画像計測装置１によれば、被測定物体Ｏの任意の深さ領域のｘ−ｙ断層画像を一度の計測で（つまりｘ−ｙ方向のスキャンを行うことなく）取得することができる。
また、詳細については後述するが、信号処理部２０は、様々な深度のｘ−ｙ断層画像に基づいて、被測定物体Ｏの３次元画像や、計測深度方向（ｚ方向）の２次元断層画像（ｘ−ｚ断層画像、ｙ−ｚ断層画像）、あるいは、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の少なくともいずれかに斜交する任意方向の２次元断層画像などの各種の画像を形成する。
更に、信号処理部２０は、各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号に基づいて、例えば網膜における血流速度等、被測定物体Ｏ内の移動体の移動速度の分布を表す画像（「速度分布画像」と呼ぶ）を形成する処理を行う。この速度分布画像における移動体の移動速度の大小は、色やグラデーション等によって表現される。当該画像形成処理についても、その詳細は後述することとする。
このような処理を実行する信号処理部２０は、本発明にいう「画像形成手段」を構成し、例えば、所定のプログラムを格納したＲＯＭやハードディスクドライブ等の記憶装置と、当該プログラムを実行するＣＰＵ等の演算制御装置とを有するコンピュータ等によって構成される。信号処理部２０の構成や作用の詳細については後述する。なお、信号処理部２０によって形成された画像は、モニタ装置等の表示装置（図示省略）により表示されるようになっている。
以上のような構成による断層画像の計測原理については後述することとする。
〔制御系の構成〕
次に、図２に示すブロック図を参照して、光画像計測装置１の制御系の構成について説明する。光画像計測装置１の制御系は、信号処理部２０と、ＣＣＤ２１、２２と、パルス駆動器２Ａ（及び広帯域光源）と、ピエゾ素子９（及び参照鏡８）と、表示装置５０とを含んで構成される。なお、この表示装置５０は、本発明の「表示手段」の一例に相当する。
信号処理部２０は、前述のようなコンピュータ等によって構成され、制御部４０、断層画像形成部４１、画像記憶部４２及び画像処理部４３を含んでいる。
（制御部）
制御部４０は、信号処理部２０により実行される各種の演算処理や画像処理や動作制御処理等を制御するもので、ＣＰＵ等によって構成される。特に、制御部４０は、パルス駆動器２Ａを制御して、広帯域光源２から光ビームを出力する周波数を変更する本発明の「第１の変調周波数変更手段」を構成する。また、制御部４０は、ピエゾ素子９を制御することにより、参照鏡８の参照光Ｒの光路方向への移動や振動を制御する。更に、制御部４０は、被測定物体Ｏを計測して取得した画像や操作画面等を表示装置５０に表示させる処理を行う。
（断層画像形成部）
断層画像形成部４１は、後述の〔計測原理〕に詳述するような演算処理を実行することにより、ＣＣＤ２１、２２から出力された検出信号に基づいて被測定物体Ｏのｘ−ｙ断層画像（２次元の画像）を形成する。
ＣＣＤ２１、２２からの検出信号には、前述のように様々なビート周波数の干渉光に対応する複数の干渉周波数成分が含まれている。また、重畳光Ｌ１、Ｌ２は、広帯域光源２からの光ビームと等しい周波数のパル
ス光としてＣＣＤ２１、２２に検出される。断層画像形成部４１は、検出信号に含まれる複数の干渉周波数成分のうち、パルス状の重畳光Ｌ１、Ｌ２の周波数（すなわち、広帯域光源２が光ビームを出力する周波数）に（ほぼ）等しいビート周波数に対応する干渉周波数成分に基づいてｘ−ｙ断層画像を形成する。
したがって、断層画像形成部４１により形成されるｘ−ｙ断層画像は、或る一定のビート周波数の干渉光の分布、つまり、一定の移動速度のｚ成分を有する移動体の分布（位置）を表す画像となる。
断層画像形成部４１には、広帯域光源２から周期的に出力されるパルス状の各光ビームに対応する検出信号がＣＣＤ２１、２２から順次入力される。断層画像形成部４１は、各検出信号に対して画像形成処理を実行してｘ−ｙ断層画像を順次形成する。
ここで、計測深度方向におけるｘ−ｙ断層画像の計測枚数、すなわちｚ方向のスキャン数（スライス数）をＮとし、各スライスの計測深度をｚｉ（ｉ＝１〜Ｎ）と記す。ここで、ｚ座標においてｚｉ＜ｚ（ｉ＋１）とする。また、各計測深度ｚｉにおける計測枚数（計測回数）をＭとする。このとき、パルスとして出力される光ビームの出力周波数が変更される（詳細は後述する）。このように、本実施形態では、深度ｚ１において、光ビームの出力周波数を変更させながらＭ回計測を行い、深度ｚ２において、光ビームの出力周波数を変更させながらＭ回計測を行い、・・・、深度ｚＮにおいて、光ビームの出力周波数を変更させながらＭ回計測を行う。
なお、このような計測処理は、制御部４０の制御によって実現される。断層画像形成部４１は、この合計Ｍ×Ｎ回の計測のそれぞれに対応する検出信号に基づいて、Ｍ×Ｎ個のｘ−ｙ断層画像Ｇｉｊ（ｉ＝１〜Ｎ、ｊ＝１〜Ｍ）を形成する。形成された画像Ｇｉｊは、制御部４０によって画像記憶部４２に記憶される。
（画像記憶部）
画像記憶部４２は、断層画像形成部４１により形成されたｘ−ｙ断層画像Ｇｉｊを記憶するもので、イメージメモリやハードディスクドライブ等の記憶装置により構成される。画像記憶部４２に記憶される情報にはディレクトリが割り振られ、ディレクトリ同士を関連付けることにより、記憶情報を関連付けるようになっている。ｘ−ｙ断層画像Ｇｉｊは、各計測深度ｚｉ毎に関連付けられて記憶される。つまり、深度ｚ１における画像Ｇ１１〜Ｇ１Ｍが関連付けられ、深度ｚ２における画像Ｇ２１〜Ｇ２Ｍが関連付けられ、・・・、深度ｚＮにおける画像ＧＮ１〜ＧＮＭが関連付けられて、画像記憶部４２に記憶される。なお、画像記憶部４２に対する記憶処理及び関連付け処理は、制御部４０によってなされる。
（画像処理部）
画像処理部４３は、断層画像形成部４１により形成されたｘ−ｙ断層画像Ｇｉｊ（ｉ＝１〜Ｎ、ｊ＝１〜Ｍ）に基づいて速度分布画像を形成する処理を行う。この速度分布画像としては、例えば、Ｇｉ１〜ＧｉＭのＭ枚に基づく深度ｚｉの２次元領域における移動体の速度分布を表す２次元画像や、Ｇ１１〜ＧＮＭのＭ×Ｎ枚に基づく深度ｚ１〜ｚＮの３次元領域における移動体の速度分布を表す３次元画像などが形成される。画像処理部４３によるこのような処理の詳細は後述する。
ｘ−ｙ断層画像Ｇｉ１〜ＧｉＭは、深度ｚｉの２次元領域における移動速度の等しい移動体の分布を表す画像であり、それぞれの画像は、異なる移動速度の移動体の分布を表している。したがって、画像処理部４３により形成される速度分布画像は、深度ｚｉの２次元領域における移動体の位置を、その移動速度を認識可能に表すものである。移動体の移動速度は、色やグラデーションを用いて表現される。
画像処理部４３により形成された速度分布画像は、制御部４０によって表示装置５０に表示される。また、形成された速度分布画像を画像記憶部４２等に格納するようにしてもよい。
［計測処理］
以上のような構成を備えた光画像計測装置１による被測定物体Ｏの画像の計測処理の一例について説明する。以下、画像計測処理の流れを最初に説明し、次にその計測原理について説明する。
〔計測処理の流れ〕
図３、４に示すフローチャートは、光画像計測装置１による計測処理の一例を表す。図３は、被測定物体Ｏの断層画像を取得する手順の一例を示し、図４は、取得された断層画像に基づいて被測定物体Ｏの３次元画像を形成する手順の一例を表す。
（断層画像の取得処理：図３）
最初に、図３のフローチャートを参照して、断層画像の取得処理の手順について説明する。
ここで、ｚ方向におけるスキャン数（スライス数）Ｎと、各スライス、すなわち各深度ｚｉ（ｉ＝１〜Ｎ）における計測回数Ｍとは、あらかじめ設定されているものとする。
スライス数Ｎは、例えば、スライス厚、すなわち距離｜ｚ（ｉ＋１）−ｚｉ｜＝ｄと、被測定物体Ｏの計測対象領域の厚さとに基づいて設定される。例えば、任意に設定されるスライス厚ｄとし、計測対象領域の厚さをＤとすると、スライス数Ｎは、例えば［Ｄ／ｄ］＋１となる。ここで、［・］は、ガウス記号（カッコ内の値に、その値を越えない最大の整数を対応させる関数）である。また、計測対象領域の厚さＤをＮ等分してスライス厚を決定するようにしてもよい。
また、各深度における計測回数Ｍは、所定のデフォルト値を使用してもよいし、任意に設定してもよい（例えばＭ＝１００）。スライス厚ｄ、スライス数Ｎ（又は計測対象領域の厚さ）、各深度での計測回数Ｍの設定は、例えば、信号処理部２０を構成するコンピュータのキーボードやマウス等の入力デバイスを操作して行う。
まず、被測定物体Ｏの深度ｚ１（例えばｚ＝０：前面）における計測を行う。そのために、制御部４０は、ハーフミラー６から参照鏡８の反射面までの距離が、ハーフミラー６から深度ｚ１の領域（ｘ−ｙ面）までの距離に一致するように、参照鏡８を（初期位置に）配置させて参照光Ｒの光路方向（ｚ方向）に振動させるとともに、パルス駆動器２Ａから出力されるパルス信号の周波数を所定の周波数ｆ０に設定する（Ｓ１）。なお、この周波数ｆ０を「計測開始周波数」と呼ぶこととする。
パルス駆動器２Ａは、制御部４０の制御に基づき、計測開始周波数ｆ０のパルス信号を広帯域光源２に出力する（Ｓ２）。広帯域光源２は、このパルス信号に駆動されて周波数ｆ０でパルス状の光ビーム（光パルスビーム）を出力する（Ｓ３）。
出力された光パルスビームは、偏光板３により直線偏光とされ、レンズ４、５によりビーム径が拡大された後にハーフミラー６に入射し、信号光Ｓと参照光Ｒとに分割される。参照光Ｒは、参照鏡８により反射されて周波数シフトを受けるとともに、ハーフミラー８に戻る間に波長板７を２回経由して円偏光とされる。一方、信号光Ｓは、被測定物体Ｏの様々な深度の領域で反射されてハーフミラー６に入射し、参照光Ｒと重畳されてパルス状の重畳光Ｌを形成する（Ｓ４）。
重畳光Ｌには、被測定物体Ｏの深度ｚ１の領域内の移動体における信号光Ｓの反射光に基づく干渉光が含まれている。この干渉光のビート周波数は、当該移動体の移動速度のｚ成分に依存する。なお、深度ｚ１の領域内に複数の移動体がある場合、各移動体に対応する干渉光が重畳光Ｌに含まれる。
重畳光Ｌは、偏光ビームスプリッタ１１によって、それぞれパルス状の重畳光Ｌ１と重畳光Ｌ２とに二分される。重畳光Ｌ１には干渉光のＳ偏光成分が含まれ、重畳光Ｌ２には干渉光のＰ偏光成分が含まれる。重畳光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、ＣＣＤ２１、２２によって受光される。ＣＣＤ２１、２２は、受光した重畳光Ｌ１、Ｌ２を光電変換し、検出信号を信号処理部２０に出力する（Ｓ５）。
断層画像形成部４１は、ＣＣＤ２１、２２からの検出信号に基づいて、深度ｚ１における１枚目のｘ−ｙ断層画像Ｇ１１を形成する（Ｓ６）。制御部４０は、形成されたｘ−ｙ断層画像Ｇ１１を画像記憶部４２に送って記憶させる（Ｓ７）。
制御部４０は、画像記憶部４２に記憶した画像の枚数をカウントする、すなわち、画像を記憶する度毎にカウンタ（図示省略）の値に「１」を加えるとともに（Ｓ８）、このカウンタの値がＭ未満であるか又はＭであるか（「計測回数＜Ｍ」ｏｒ「計測回数＝Ｍ」）を判断する（Ｓ９）。ここで、上述したように、「Ｍ」は、あらかじめ設定された各深度ｚｉにおける計測回数である。また、計測回数をカウントする当該カウンタを計測回数カウンタと呼ぶこととする。
計測回数カウンタのカウント数がＭ未満（＜Ｍ）と判断されると、制御部４０は、パルス駆動器２Ａを制御して、出力するパルス信号の周波数を周波数ｆ０＋Δｆに変更し（Ｓ１０）、ステップＳ２〜Ｓ８と同様に、周波数ｆ０＋Δｆで出力される光ビームに基づく重畳光Ｌ１、Ｌ２の検出結果からｘ−ｙ断層画像Ｇ１２を形成して画像記憶部４２に記憶させるとともに、計測回数カウンタに「１」を加える。
同様の処理を計測回数カウンタの値がＭに達するまで繰り返す。それにより、深度ｚ＝ｚ１の領域について、周波数ｆ０＋（ｊ−１）×Δｆに対応するｘ−ｙ断層画像Ｇ１ｊ（ｊ＝１〜Ｍ）が画像記憶部４２に記憶される。これらＭ枚の画像Ｇ１１〜Ｇ１Ｍは、例えば同じフォルダに格納されるなどして、互いに関連付けられて記憶される。
計測回数カウンタのカウント数がＭである（＝Ｍ）と判断されると（Ｓ９）、制御部４０は、計測回数カウンタのカウント数を０に戻すとともに（Ｓ１０）、スライス数（幾つの異なる深度で計測したかを表す）をカウントする、すなわち、他のカウンタ（図示省略）の値に１を加える（Ｓ１２）。なお、当該他のカウンタは、上述のスライス数をカウントするもので、スライス数カウンタと呼ぶこととする。
続いて、制御部４０は、スライス数カウンタの値がＮ未満であるか又はＮであるかを判断する（Ｓ１３）。スライス数カウンタのカウント数がＮ未満（＜Ｎ）の場合、制御部４０は、参照鏡８を次の深度ｚ＝ｚ２に対応する位置（つまり、ハーフミラー６から参照鏡８の反射面までの距離が、ハーフミラー６から深度ｚ２の領域までの距離に一致する位置）に移動させ（Ｓ１４）、更に、パルス駆動器２Ａから出力されるパルス信号の周波数を計測開始周波数ｆ０に変更する（Ｓ１５）。
深度ｚ＝ｚ２の領域について、前述のステップＳ２〜Ｓ１０の処理を実行して、周波数ｆ０＋（ｊ−１）×Δｆに対応するｘ−ｙ断層画像Ｇ２ｊ（ｊ＝１〜Ｍ）を形成し、これらＭ枚の画像Ｇ２１〜Ｇ２Ｍを互いに関連付けて画像記憶部４２に記憶させる。
同様の処理をスライス数カウンタのカウント数がＮに達するまで繰り返す。それにより、あらかじめ設定された各深度ｚｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の領域について、周波数ｆ０＋（ｊ−１）×Δｆに対応するｘ−ｙ断層画像Ｇｉｊ（ｊ＝１〜Ｍ）が取得される。これらＭ×Ｎ枚の画像Ｇ１１〜ＧＮＭは、各深度ｚ１〜ｚＮの画像毎にそれぞれ関連付けられて画像記憶部４２に記憶される。
なお、光ビームを出力する周波数の変更範囲ｆ０〜ｆ０＋（ｊ−１）×Δｆは、重畳光Ｌに含まれる干渉光のビート周波数を含むように設定される。ビート周波数の異なる複数の干渉光が重畳光Ｌに含まれている場合には、その複数のビート周波数の全てを含むように周波数の変更範囲を設定することが望ましい。ただし、特定の範囲のみに注目する場合には、その範囲に設定してもよい。
（３次元画像の形成処理：図４）
続いて、図４のフローチャートを参照して、取得されたＭ×Ｎ枚のｘ−ｙ断層画像Ｇ１１〜ＧＮＭに基づく被測定物体Ｏの３次元画像の形成処理について説明する。
まず、画像処理部４３は、画像記憶部４２に記憶された各深度ｚｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の領域におけるＭ枚のｘ−ｙ断層画像Ｇｉ１〜ＧｉＭに対して画像処理を施し、これら各画像の表示色がそれぞれ異なるように色を変換する（Ｓ２１）。このとき、例えば、ｊ（＝１〜Ｍ）が大きくなるにしたがって画像の色が濃くなるようにする。すなわち、画像Ｇｉ１より画像Ｇｉ２の色が濃く、画像Ｇｉ２より画像Ｇｉ３の色が濃く、・・・、画像Ｇｉ（Ｍ−１）より画像ＧｉＭの色が濃くなるように、各画像Ｇｉ１〜ＧｉＭの濃度を変換する。ここで、各深度ｚ１〜ｚＮにおいて計測順（ｊ＝１〜Ｍ）が同じ画像Ｇ１ｊ、Ｇ２ｊ、・・・、ＧＮｊは、全て同じ濃度に変換される。
なお、ステップＳ２１における画像処理は、各画像毎の濃度が異なるようにする上記の形態に限定されるものではない。例えば、各画像毎に赤、青、緑など色を違えるようにしてもよい。また、各画像毎に全て濃度や色を違える必要はなく、例えば、画像Ｇｉ１〜Ｇｉ５は第１の濃度（色）、画像Ｇｉ６〜Ｇｉ１０は第２の濃度（色）、・・・、画像Ｇｉ（Ｍ−４）〜ＧｉＭは第（Ｍ／５）番目の濃度（色）のようなステップで濃度や色を変えるようにしてもよい。各画像Ｇｉ１〜ＧｉＭの濃度や色は、目的に応じて任意に設定可能とされる。
次に、画像処理部４３は、濃度が変換された各深度ｚｉの画像Ｇｉ１〜ＧｉＭを合成して、各深度ｚｉの領域における２次元画像Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を形成する（Ｓ２２）。
この２次元画像Ｇｉは、周波数ｆ０（計測開始周波数）に対応する画像Ｇｉ１と、周波数ｆ０＋Δｆに対応する画像Ｇｉ２と、・・・、周波数ｆ０＋（Ｍ−１）×Δｆに対応する画像ＧｉＭとを一つにまとめた画像である。各周波数ｆ０＋（ｊ−１）×Δｆ（ｊ＝１〜Ｍ）に対応する画像Ｇｉｊは、移動速度のｚ成分による周波数のシフト量が当該周波数に一致する移動体の位置（一つ又は複数）を表現する画像である。したがって、この２次元画像Ｇｉは、座標ｚｉのｘ−ｙ断面領域における移動体の移動速度（のｚ成分）の分布を表現している。また、各画像Ｇｉ１〜ＧｉＭは濃度が少しずつ異なるので、この２次元画像Ｇｉは、移動速度の変化をグラデーション（階調）で表現した分布画像となっている。
次に、画像処理部４３は、深度ｚ１〜ｚＮにおける移動速度の分布を表す２次元画像Ｇ１〜ＧＮを計測深度方向、つまりｚ方向に配列させる（Ｓ２３）。このとき、連続する画像ＧｉとＧ（ｉ＋１）は、前述のスライス厚ｄに応じた間隔を介して配列される。図５は、その配列状態を表している。
更に、画像処理部４３は、図５のように配列された２次元画像ＧｉとＧ（ｉ＋１）との間（ｉ＝１〜Ｎ−１）の画像を補完して３次元画像を形成する（Ｓ２４）。
この３次元画像は、被測定物体Ｏの深度ｚ１からｚＮまでの３次元領域における移動体の移動速度の分布を表す画像である。例えば、被測定物体Ｏが網膜であり、移動体が血管である場合、当該３次元画像として、網膜内における血流速度の立体的な分布を表す画像が形成される。
ステップＳ２４で形成された３次元画像は、制御部４０によって表示装置５０に表示される（Ｓ２５）。なお、この３次元画像を画像記憶部４３等の記憶装置に格納してもよい。また、ステップＳ２２で形成した２次元画像Ｇ１〜ＧＮについても記憶装置に格納するようにしてもよい。
（その他の画像の形成処理）
以上では、被測定物体Ｏ中における移動体の移動速度の立体的な分布を表す３次元画像を形成したが、ステップＳ２２で形成される深度ｚ１〜ｚＮの２次元画像Ｇ１〜ＧＮから、他の分布画像を形成することも可能である。
例えば、被測定物体Ｏの（任意のｙ座標ｙ０における）ｘ−ｚ断面における移動速度の画像を形成することができる。その場合、画像処理部４３は、各２次元画像Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｎ）のｙ＝ｙ０における部分画像をスライス厚ｄ毎にｚ方向に配列させて補完処理を施せばよい。被測定物体Ｏの（任意のｘ座標ｘ０における）ｙ−ｚ断面における移動速度の画像を形成する場合も同様である。
また、ｘ、ｙ、ｚ軸に斜交する方向における移動速度の分布画像を形成する場合、例えば、その斜交面（断層面）と交差する３次元画像の部分のみを抽出してスライス画像を形成することにより画像化できる。なお、ｘ−ｚ断面やｙ−ｚ断面における分布画像を形成する場合についても、同様に、３次元画像のスライス画像を形成するようにしてもよい。
〔計測原理〕
以下、図１に示す構成の光画像計測装置１による計測の基本原理について説明する。広帯域光源２から出力された光ビームは、偏光板３により上記ｘ軸に対して４５°をなす角度方向の直線偏光に変換され、レンズ４、５によってビーム径を拡大され、かつ、平行光束とされてハーフミラー６に入射して信号光Ｓと参照光Ｒとに二分される。
信号光Ｓは、散乱媒質からなる被測定物体Ｏに入射し、その表面や様々な深さの断層面にて反射される。信号光Ｓの一部は、被測定物体Ｏの移動体（血液等）に起因するドップラー効果によって周波数がシフトされる。被測定物体Ｏからの反射光波の一部はハーフミラー６により反射されて結像用レンズ群１０に伝送される。
一方、参照光Ｒは、（１／８）波長板７を通過し、ピエゾ素子９により振動されている参照鏡８によって反射され、再び波長板７を通過してハーフミラー７に入射する。このとき、参照光Ｒは、波長板７を２回通過することにより、その偏光特性が、角度４５°の直線偏光から円偏光に変換される。円偏光とされた参照光Ｒの一部は、ハーフミラー６を透過して結像用レンズ群１０に伝送される。
このとき、ハーフミラー６により、一部の周波数がシフトされた直線偏光の信号光Ｓと、円偏光の参照光Ｒとが重畳されてなる干渉光を含む重畳光Ｌが生成される。この重畳光Ｌは結像用レンズ群１０を経由して偏光ビームスプリッタ１１に伝搬される。
偏光ビームスプリッタ１１は、重畳光Ｌに含まれる干渉光のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過するように作用する。干渉光のＳ偏光成分を含む重畳光Ｌ１はＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分を含む重畳光Ｌ２はＣＣＤ２２によって検出される。ここで、干渉光のＳ偏光成分は、信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓと参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓとを含んでおり、干渉光のＰ偏光成分は、信号光ＳのＰ偏光成分Ｅｓｐと参照光ＲのＰ偏光成分Ｅｒｐとを含んでいる。信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓ及びＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓ及びＰ偏光成分Ｅｒｐとは、次式のように表される。
Figure 0004597744
ここで、ｆは広帯域光源２から出力される光ビームの周波数を表す。また、ｆＤは被測定物体Ｏ内の移動体による信号光Ｓの周波数シフトを表し、ｆＤ′は参照鏡８のｚ方向への移動による参照光Ｒの周波数シフトを表す。更に、φは信号光Ｓの初期位相を、φ′は参照光Ｒの初期位相をそれぞれ表す。以下、参照鏡８による周波数シフトと被測定物体Ｏ内の移動体による周波数シフトとの差をΔｆＤ（＝ｆＤ′−ｆＤ）と表し、信号光Ｓと参照光Ｒとの初期位相の差をΔφ（＝φ−φ′）と表すこととする。なお、ｆＤ′＞ｆＤ、すなわちΔｆＤ＞０となるように参照鏡８による周波数シフトｆＤ′を設定することが望ましい。［数２］に示す式（２）〜（５）を参照すると、干渉光のＳ偏光成分とＰ偏光成分とは、ＣＣＤ２１、２２により、それぞれ次式のようなヘテロダイン信号ｉ１、ｉ２として検出される。
Figure 0004597744
式（６）、（７）を比較すると、各式の第３項の交流信号は、同位相のｃｏｓ関数とｓｉｎ関数であることから９０°の位相差があることが分かる。光画像計測装置１は、この特徴を利用するとともに、周期的に強度変調された光ビームを測定光として使用することにより、シャッタによるサンプリング処理を用いない光ヘテロダイン検出を実現可能とし、それにより干渉光の信号強度及び位相の空間分布を測定するものである。
次に、図６に示すグラフを参照して、光画像計測装置１における干渉光の検出態様について説明する。
移動体が存在しない被測定物体Ｏの領域においては、ｆＤ＝０、すなわちΔｆＤ＝ｆＤ′である。また、ΔｆＤは、参照鏡８による周波数シフトと被測定物体Ｏ内の移動体による周波数シフトとの差、したがって干渉光のビート周波数を表す。広帯域光源２から出力される光ビームの強度の変調周波数をｆｍとすると、ｆｍはΔｆステップで変更される。
更に、被測定物体Ｏにおける移動体の移動方向には＋ｚ方向（ｆＤ＞０）と−ｚ方向（ｆＤ＜０）とがあることを考慮すると、ｆｍ＝ｆＤ′±ｋ×Δｆ（ｋ＝０〜ｍ）とすることができる。ここで、２ｍ＋１＝Ｍ（計測回数）である。ここで、ｋ＝０（ｆｍ＝ｆＤ′）のときに得られる画像は、被測定物体Ｏの形態を表す通常の画像であり、ｋ≠０のときに得られる２ｍ枚の画像は、被測定物体Ｏ内において所定速度で移動する移動体の位置を表す画像となる。
また、計測開始周波数ｆ０としては、例えばｆＤ′−ｍ×Δｆ（ｆＤ′＋ｍ×Δｆ）を採用し、Δｆずつステップアップ（ステップダウン）してＭ枚の画像を計測することができる。また、計測開始周波数ｆ０＝ｆＤ′とし、ｆＤ′＋Δｆ、ｆＤ′−Δｆ、ｆＤ′＋２×Δｆ、ｆＤ′−２×Δｆ、・・・・、の順に計測を行ってもよい。なお、計測精度を向上させるために、Δｆ≪ｆ０であることが望ましい。
図６（Ａ）は、周波数ｆｍで強度変調されて広帯域光源２から出力される光ビームの時間波形を表す。図６（Ｂ）は、光ビームが連続光であり、よって参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光（ビート周波数ΔｆＤ）のＳ偏光成分の時間波形を表す。図６（Ｃ）は、参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。ここで、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すＳ偏光成分とＰ偏光成分との位相差は９０°である。
また、図６（Ｄ）は、光ビームの強度の変調周波数ｆｍが、重畳光Ｌ１に含まれる干渉光のビート周波数ΔｆＤに（ほぼ）等しいときに、ＣＣＤ２１により検出される干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す（図６（Ｂ）に対応する）。図６（Ｅ）は、光ビームの強度の変調周波数ｆｍが、重畳光Ｌ２に含まれる干渉光のビート周波数ΔｆＤに（ほぼ）等しいときに、ＣＣＤ２２により検出される干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す（図６（Ｃ）に対応する）。図（Ｄ）、（Ｅ）に示すＳ偏光成分とＰ偏光成分とは９０°の位相差を有する。
ＣＣＤ２１は、図６（Ｄ）に示す時間波形のＳ偏光成分を検出する。広帯域光源２からの光ビームは、例えば周波数ｆｍかつ５０％ｄｕｔｙの矩形列の光パルスであり、その変調周波数ｆｍと干渉光のビート周波数ΔｆＤとの差δｆ＝｜ｆｍ−ΔｆＤ｜が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いときには、ＣＣＤ２１から出力されるＳ偏光成分の検出信号Ｓ１は、検出時間内に蓄積された光電荷量に比例するものとなり、次式のように与えられる。（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｌ１１９４（２０００）参照）。
Figure 0004597744
ここで、＜・＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表し、Ｋ１は偏光ビームスプリッタ１１の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率、ｍ（ｔ）は広帯域光源２の出力を強度変調する関数（矩形のパルスを表す関数）、またΨは測定における初期位相値を表す。式（８）から分かるように、ＣＣＤ２１から出力される検出信号には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度に関する項（背景光成分）の他に、干渉光のＳ偏光成分の振幅√（ＩｓｓＩｒｓ）に関する項が含まれている。
同様に、ＣＣＤ２２は、図６（Ｅ）に示す時間波形のＰ偏光成分を検出し、次式のような検出信号Ｓ２を出力する。
Figure 0004597744
ここで、Ｋ２は偏光ビームスプリッタ１１の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率を含めた光検出効率であり、Ψは式（８）と同じ測定における初期位相である。
次に、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号（８）、（９）に基づく、干渉光の信号強度の算出処理について説明する。
参照光Ｒは、波長板７により円偏光に変換されているので、そのＳ偏光成分Ｅｒｓの強度ＩｒｓとＰ偏光成分Ｅｒｐの強度Ｉｒｐとは等しいと考えられる（Ｉｒｓ＝Ｉｒｐ＝Ｉｒと示す）。
一方、信号光Ｓについて、被測定物体Ｏからの反射光は入射光の偏光特性に顕著に依存しないと考えられることから、そのＳ偏光成分Ｅｓｓの強度ＩｓｓとＰ偏光成分Ｅｓｐの強度Ｉｓｐとは等しいか、あるいは近い値であると考えられる（Ｉｓｓ＝Ｉｓｐ＝Ｉｓと示す）。また、信号光Ｓは被測定物体Ｏによって散乱、吸収されることから、その強度は一般的に参照光Ｒより十分に小さい（Ｉｓ≪Ｉｒ）と考えることができる。
また、式（８）及び式（９）の右辺の第１項と第２項は背景光の強度を表し、その値は、事前に若しくは別途に測定することができる。例えば、広帯域光源２により連続光からなる光ビームを出力してＣＣＤ２１等により検出し、それを１波長分（あるいはその整数倍）だけ積分して第３項（交流成分；位相直交成分）をキャンセルすることにより、背景光の強度（背景光成分）を取得することができる。
取得された背景光成分を各ＣＣＤ２１、２２からの検出信号の強度から除算することにより、各検出信号の位相直交成分、すなわち、干渉光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の位相直交成分Ｓ１′、Ｓ２′がそれぞれ次式のように求まる。
Figure 0004597744
これら式（１０）、（１１）を用いると、干渉光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の振幅は次式のように表される。
Figure 0004597744
式（８）、（９）は、図６に示したような周波数同期検出の原理により、変調周波数ｆｍと干渉光のビート周波数ΔｆＤとの差δｆ＝｜ｆｍ−ΔｆＤ｜が、δｆ＝０若しくはδｆ＜１／Ｂのときにのみ成立する。δｆ＞１／Ｂの場合、式（８）、（９）のＳ１、Ｓ２の値は、いずれも０に減衰する。ここで、ＢはＣＣＤ２１、２２の周波数バンドであり、例えばフレームレート１００ＨｚのＣＣＤならば１／Ｂ＝１００（Ｈｚ）とすることができる。なお、この条件δｆ＝０若しくはδｆ＜１／Ｂが、本発明にいう「強度変調の周波数に略等しいビート周波数に対応する干渉周波数成分」の「略等しい」に相当している。
以上のことから、光ビームの変調周波数ｆｍと参照光Ｒの周波数シフトｆＤ′とが既知であれば、重畳光Ｌに含まれる干渉光のビート周波数ｆＤ（≠０）を算出できる。本実施形態の計測においては、光ビームの変調周波数ｆｍ及び参照光Ｒの周波数シフトｆＤ′は、それぞれ制御部４０により設定、変更されるので、それぞれ既知の値である。
以上に説明したように、被測定物体Ｏの様々な深度の領域について、広帯域光源２から出力する光ビームの強度の変調周波数ｆｍ（ｊ＝１〜Ｍ）を変更しつつ計測を行うことにより、各変調周波数の値に相当するビート周波数を生じる移動速度の移動体の分布を画像化することができる。
［作用効果］
以上のような光画像計測装置１によれば、被測定物体Ｏ内の移動体の速度の分布を表現する画像の計測において、ｘ−ｙ方向のスキャンを行うことなく各深度のｘ−ｙ断面の計測を一度に行うことができるので、被測定物体Ｏの広範囲に亘る計測を迅速に行うことが可能である。
また、生体組織の血管内を流れる血液の血流速度等の分布を表現する画像の計測において、計測領域を変更するために被測定物体を移動させる必要がないので、被測定物体の広範囲に亘る計測を有効に行うことができる。
［第１の実施形態の変形例］
以下、本実施形態の変形例を説明する。
（変形例１）
図７は、光画像計測装置１の変形例の構成を示す。同図に記載の光画像計測装置１′は、参照光Ｒの光路上の周波数シフタ１２を除いては、光画像計測装置１と同様の構成を備える。周波数シフタ１２は、本発明にいう「周波数シフト手段」を構成し、参照鏡８に反射される前後の参照光Ｒにそれぞれ周波数シフトを与える。この周波数シフタ１２は、例えば電気光学変調器や音響光学変調器などにより構成される。
周波数シフタ１２は、参照光Ｒに対する周波数シフトｆＤ′についての上述の条件（ｆＤ′＞ｆＤ：信号光Ｓに対する周波数シフト）を満足するためや、あるいは、移動体に起因するドップラー効果により信号光Ｓに付与される周波数のシフト量が大きすぎて干渉光のビート周波数が高すぎる場合など干渉光の検出が困難又は不可能であるときに、参照光Ｒの周波数を信号光Ｓの（一部の）周波数に近づけるようにシフトするために用いられる。なお、信号光Ｓに付与される周波数シフト量が大きくなる場合としては、例えば、図１２において、流速の大きな血流が−ｚ方向に向いているとき（Ｖ＝Ｖｚ）などが考えられる。
例えば干渉光のビート周波数が高すぎる場合、制御部４０は、周波数シフタ１２を制御して、ＣＣＤ２１、２２から好適な周波数の検出信号が出力されるまで、参照光Ｒに付与する周波数のシフト量を様々に変更し、参照光Ｒに対する周波数シフト量を決定する。このとき、血流速度等の臨床的な値が分かっているときには、その臨床値に対応するシフト量の周辺の周波数を試すようにすると効率的と思われる。周波数シフタ１２による参照光Ｒの周波数シフト量が決定したら、その状態で被測定物体Ｏの画像計測を実行する。
本変形例によれば、移動体がｚ方向に大きな速度で移動しているような場合であっても計測を有効に実施できるので、様々な被測定物体を計測対象とすることが可能となる。
また、参照光Ｒの周波数をシフトさせるための構成は、上記の周波数シフタ１２に限定されるものではなく、ピエゾ素子９により参照鏡８を参照光Ｒの光路方向に移動させて参照光Ｒの周波数を変更するようにしてもよい。また、上記の周波数シフタ１２は参照光Ｒの光路上に配置されているが、信号光Ｓの光路上に配置させるようにしてもよい。すなわち、本発明の周波数シフト手段は、信号光Ｓと参照光Ｒとの間に相対的な周波数差を付与するものであればよい。また、信号光Ｓの移動体を経由した部分に付与された周波数のシフト量の一部を相殺するように構成されていればより好適である。
（変形例２）
図８は、本実施形態の第２の変形例の光画像計測装置１″の概略構成を表す。この光画像計測装置１″は、被測定物体Ｏを計測して取得したｘ−ｙ断層画像に基づいて３次元画像等を形成するときのｘ−ｙ断層画像の配列間隔の精度を向上させることにより、高精度の３次元画像等を得ることが可能な構成を備える。なお、本変形例の詳細については、本発明者らによる特願２００４−２９９０３６号に開示されている。
光画像計測装置１″は、被測定物体Ｏの複数のｘ−ｙ断層画像の計測深度（ｚ座標）を取得するために用いられる計測深度プロファイルを作成するための構成として、広帯域光源６１、ハーフミラー６２、固定鏡６３、ガルバノミラー６４、波長フィルタ６５、回折格子６６及び１次元光センサアレイ６７が設けられている。
広帯域光源６１は、計測用の広帯域光源２と異なる波長の光ビーム（「補助光ビーム」と呼ぶ）を出力する。広帯域光源６１から出力された補助光ビームの一部（「補助信号光」と呼ぶ）は、ハーフミラー６２により反射されてガルバノミラー６４に向かって進行し、また、補助光ビームの残りの部分（「補助参照光」と呼ぶ）は、ハーフミラー６２を透過して固定鏡６３に向かう。
ガルバノミラー６４は、通常のように、反射鏡とこの反射鏡を駆動して反射面の向きを変更する駆動部とを備えて、補助信号光をｘ−ｙ方向に走査するように作用する。また、波長フィルタ６５は、広帯域光源２からの光ビーム（信号光Ｓ）の波長を透過させ、広帯域光源６１からの補助光ビーム（補助信号光）の波長を反射する特性を有する。
それにより、ハーフミラー６２による反射光からなる補助信号光は、ガルバノミラー６４によって反射され、波長フィルタ６５により更に反射されて信号光Ｓとともに被測定物体Ｏに照射される。被測定物体Ｏに照射された補助信号光は、信号光Ｓとともに様々な深度（ｚ座標）の領域にて反射されて被測定物体Ｏから出射し、波長フィルタ６５によって信号光Ｓから分離されるとともに、ガルバノミラー６４により反射されてハーフミラー６２に入射する。
被測定物体Ｏを経由してハーフミラー６２に入射した補助信号光は、固定鏡６３により反射された補助参照光と重畳されて干渉光（「補助干渉光」と呼ぶ）を形成する。
補助干渉光は、回折格子６６により各波長成分に分離され、１次元光センサアレイ６７によって受光される。１次元光センサアレイ６７を構成する各光センサは、検出した波長成分の光強度の検出信号（「補助検出信号」と呼ぶ）を信号処理部２０に出力する。
信号処理部２０は、１次元光センサアレイ６７から出力された各波長成分に対応する補助検出信号に基づいて、補助干渉光に関する波長−光強度の関係、換言すれば補助干渉光の光強度分布（波長スペクトル）を求める。
更に、信号処理部２０は、求めた補助干渉光の波長スペクトルをフーリエ変換することにより、被測定物体Ｏのｚ座標（計測深度）を変数とした補助干渉光の強度分布を求める。この強度分布は、前述の計測深度プロファイルに相当する。そして、この強度分布を参照して、各ｘ−ｙ断層画像の計測深度を算出する。以上のような計測深度取得処理は、ＭＨｚ以上の速さ、すなわちμｓｅｃ以下の時間で実行される。
なお、ガルバノミラー６４により補助信号光をｘ−ｙ方向に走査しつつ計測を行う場合、各深度のｘ−ｙ断層画像について、異なる走査位置に対応する複数の補助検出信号が信号処理部２０に入力される。その場合、信号処理部２０は、この複数の補助検出信号に基づいて当該ｘ−ｙ断層画像の計測深度を算出する。
信号処理部２０は、取得した複数のｘ−ｙ断層画像と、各ｘ−ｙ断層画像について算出される計測深度を用いて複数のｘ−ｙ断層画像を配列させるとともに、その配列された複数のｘ−ｙ断層画像に対して３次元化処理（補完処理）等を施して被測定物体Ｏの３次元画像等を形成して表示装置に表示させる。
本変形例によれば、複数のｘ−ｙ断層画像を計測深度方向に配列させるときに、各Ｘ−Ｙ断層画像が実際に計測された深度を求めることができ、更に、その求めた深度に基づいて複数のｘ−ｙ断層画像を配列するように構成されているので、高精度の３次元画像等を形成することができる。
（変形例３）
上記実施形態においては、低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させるために、パルス駆動器２Ａから周期的なパルス信号を出力して広帯域光源２をパルス駆動するに出力をパルス駆動する構成を採用したが、それに限定されるものではない。例えば、低コヒーレントな光ビームを連続的に発することが可能な（広帯域）光源を用いるとともに、出力された連続的な光ビームを周期的に遮断するシャッタを当該光源と偏光板３との間に設けることにより、光ビームの強度を周期的に変調させることができる。このとき、当該シャッタとしては液晶シャッタ等の高速シャッタを用いることができ、信号処理部２０（の制御部４０）によってシャッタ開閉の周波数が制御されるように構成することが望ましい。
（その他の変形例）
上記実施形態においては、移動体の移動速度の分布を表す画像を取得する処理と同時に被測定物体Ｏ自体の表面形態や内部形態の画像を取得する例を説明したが（ｋ＝０〜２ｍにおけるｋ＝０のときに形態画像を取得している）、被測定物体Ｏの形態画像を個別に取得するようにしてもよい。また、被測定物体Ｏの形態画像と移動体の移動速度の画像とを合成した画像を形成することができる。例えば、網膜の形態画像に血流速度の分布画像を合成することが可能である。それにより、網膜の形態を詳細に再現した画像を取得することができる。
上記実施形態では、広帯域光源２からの光ビームをまず直線偏光とし、それから信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するようになっているが、光ビームの分割後に信号光Ｓと参照光Ｒとをそれぞれ直線偏光に変換するようにしてもよい。ただし、その場合には、信号光Ｓと参照光Ｒの双方の光路上に偏光板を設ける必要があり、上記構成よりも若干複雑な構成となるため、実用上は上記実施形態の構成の方が好適であると思われる。
また、上記実施形態では、参照光Ｒの偏光特性を円偏光に変換するようになっているが、信号光Ｓの方を円偏光に変換し、直線偏光のままの参照光と重畳させるようにすることも可能である。しかし、上述のように、信号光Ｓの被測定物体Ｏによる反射光は参照光Ｒと比較して微弱であるので、信号光Ｓの光路上に波長板を配置させると、それを通過するときに信号光Ｓが弱められてしまう。このように被測定物体Ｏの情報を含んだ信号光Ｓの強度を弱めることは測定の感度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、上記構成のように参照光Ｒの偏光特性を変換する方が有利といえる。なお、周波数シフタの配置についても同様である。
また、広帯域光源２から出力される光ビームは、上記構成のように周期的に出力と非出力とが切り換えらえるものである必要はなく、その出力強度が周期的に変調されていれば十分である。例えば、広帯域光源２の１００％の出力強度と５０％の出力強度とを周期的に切り換えるように構成することが可能である。
（造影剤を用いた光画像計測について）
本発明は、造影剤を用いた光画像計測にも好適に利用される。なお、造影剤を用いた光画像計測については、たとえば特表２００１−５２６６５０号公報や特表２００２−５０４８９４号公報などに開示されている。
ところで、光画像計測技術は、眼科分野への適用に有効であり、たとえば加齢黄斑変性や糖尿病性網膜症において見られる、網膜やその下部組織の新生血管の光凝固治療や、光線力学的療法（Ｐｈｏｔｏｄｙｎａｍｉｃ Ｔｈｅｒａｐｙ：ＰＤＴ）などに特に有効と考えられる。ここで、新生血管（図１３の新生血管１００３参照）とは、網膜の健康な領域の血管（血管１００２）から半死状態の領域に向かって生えていく新たな血管である。この新生血管は非常にもろく、それが破れると大出血を引き起こして失明にまで至る危険性がある。また、新生血管は絡み合うような複雑な状態で生えていることも多いため、光凝固等を的確に行うためには新生血管の３次元的な配置状態を把握していることが望ましい。更に、光凝固のレーザの熱で新生血管の周囲の正常な網膜組織も焼けてしまうこともあるため、新生血管の配置状態を詳細に把握せずに治療を行うと視力の低下を引き起こすおそれがある。特に加齢黄斑変性の治療においては、黄斑部を傷つけないために極めて詳細な新生血管の配置状態を把握しておく必要がある。以下、上記実施形態の光画像計測装置による新生血管の３次元画像の取得態様の一例について説明する。
まず、第１の画像取得態様としては、上記実施形態と同様に、通常の血管及び新生血管内の血流速度をそのまま画像化して表示する方法を採用することができる。その場合、新生血管は先端が閉じており、通常の血管と比較して血流速度が大幅に遅いことを考慮し、血流速度の遅い部位を目立つ色（たとえば赤色等）で表示するなどして、新生血管の配置状態を把握しやすいようにすることが望ましい。
この第１の画像取得態様を用いる場合、新生血管の配置状態によっては、好適な画像を取得できない場合がある。たとえば、網膜組織内に存在する新生血管については、新生血管内の血流速度が非常に遅いことを勘案すると、その周囲の網膜組織との区別がつかなくなるおそれがある。特に、新生血管の先端部近傍においては血流速度が（ほぼ）ゼロとなるため、周囲との区別が全くつかなくなることもあり得る。
そこで、第２の画像取得態様として、造影剤を用いて新生血管（を含む血管）を標識することが有効となる。その目的に使用される造影剤としては、たとえば、微小粒子を含む造影剤や光を吸収する作用を有する造影剤などがある。この第２の画像取得態様では、被検者にあらかじめ造影剤を注入し、その造影剤が網膜の血管まで到達するタイミングを見計らって画像を取得する。なお、画像の表示態様については第１の画像取得態様と同様である。
微小粒子を含む造影剤を使用した場合、信号光Ｓは微小粒子により散乱されて光量が減衰するため、信号光Ｓのうち新生血管を経由した部分は、それを経由しなかった部分と比較して強度の弱い部分として検出される。この強度の差異を検出することで、新生血管をその周囲の網膜組織と区別することができ、画像化することができる。一方、光を吸収するタイプの造影剤を使用した場合にも同様の画像化が可能である。
また、微小粒子を含む造影剤を使用する場合、粒子の屈折率を利用して画像化を実現することも可能である。たとえば、微小粒子の屈折率による信号光Ｓの位相の変位を検出することにより、新生血管とその周囲の網膜組織とを区別して画像化することができる。
更に、第３の画像取得態様として、新生血管と通常の血管との血流速度の差を考慮して画像を形成する手法を採用することができる。新生血管を治療する場合には、新生血管が再度成長しないように、その付け根部分、すなわち新生血管が通常の血管と繋がっている部分（分岐点）を十分に光凝固する必要がある。第３の画像取得態様は、血流速度が急に変化している部位に注目し、その部位を目立つ色で表示するなどして、治療部位を特定する手法である。
なお、使用する造影剤の種類や画像の表示態様などは、以上で説明したものに限定されるものではなく、適宜選択することができる。また、このような光画像計測の被測定物体Ｏは、人眼の網膜等に限定されるものではなく、任意の動物の眼（すなわち前述の被検眼）の網膜等であってもよい。
〈第２の実施形態〉
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、重畳光に含まれる参照光のサンプリングをシャッタを用いて行うように構成されたものである。
［装置の構成］
本実施形態の光画像計測装置の構成について説明する。図９は、本実施形態の光画像計測装置の光学系の概略構成の一例を表し、図１０は、その制御系の構成の一例を表している。以下、第１の実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明する。
〔光学系の構成〕
光画像計測装置１００は、図９に示すように、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（光源）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４、５（拡大手段）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、それらを重畳して重畳光Ｍを生成するハーフミラー６（光ビーム分割手段、重畳手段）と、全反射鏡からなる参照鏡８（参照物体）と、この参照鏡８を参照光Ｒに光路方向に移動させるピエゾ素子９とを含んでいる。参照鏡８とピエゾ素子９とは、本発明の「光路長変更手段」を構成している。
なお、第１の実施形態の変形例１と同様に、参照光Ｒの光路上などに電気光学変調器や音響光学変調器等からなる周波数シフタを設けてもよい。
また、光画像計測装置１００には、ハーフミラー６により生成された重畳光Ｍを結像させる結像用レンズ群１０と、この重畳光Ｍを２つの重畳光Ｍ１、Ｍ２に分割するビームスプリッタ１３（重畳光分割手段）と、蓄積型の２次元光センサアレイであるＣＣＤ２１、２２（２次元光検出手段）と、これらＣＣＤ２１、２２の直前に配置され、重畳光Ｍ１、Ｍ２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７１、７２（強度変調手段）とが設けられている。
なお、シャッタ７１、７２は、それぞれＣＣＤ２１、２２の直前に配置されている必要はなく、ビームスプリッタ１３による重畳光Ｍ１、Ｍ２の分岐点からＣＣＤ２１、２２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７１、７２は、各重畳光Ｍ１、Ｍ２の遮断と通過とを切り換えてＣＣＤ２１、２２に到達する光量を切り換え可能な位置に配置されていれば十分である。
更に、光画像計測装置１００は、信号処理部２０からの制御信号を受けて所定の周波数のパルス信号を発生させるパルス信号発生器８０と、このパルス信号発生器８０が発生したパルス信号の位相をシフトさせてシャッタ７１、７２にそれぞれ供給する位相シフタ８１、８２とを備えている。シャッタ７１、７２は、位相シフタ８１、８２からのパルス信号をタイミング信号として、重畳光Ｍ１、Ｍ２の遮断／通過をそれぞれ独立に切り換える。
各シャッタ７１、７２は、位相シフタ８１、８２からのタイミング信号に基づいて所定の周波数で重畳光Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ周期的に遮断することにより、各重畳光Ｍ１、Ｍ２をサンプリングする。それにより、ＣＣＤ２１、２２は、それぞれ重畳光Ｍ１、Ｍ２を周期的に受光して光電変換し、その変換結果である検出信号を信号処理部２０に出力する。信号処理部２０（画像形成手段）は、第１の実施形態と同様に、後述の演算処理を行って被測定物体Ｏの画像を形成する。
ここで、位相シフタ８１、８２は、シャッタ７１、７２の開閉動作に所定の位相差を与える。この位相差は、例えば、第１の実施形態と同様に９０°（π／２）でもよいし、１８０°（π）でもよい（任意に設定できる）。それにより、シャッタ７１、７２は、重畳光Ｍ１、Ｍ２の強度を当該所定の位相差で周期的に変調させるように作用する。ここで、信号処理部２０等により、位相シフタ８１、８２が付与する位相差を変更できるようにしてもよい。なお、双方のシャッタ７１、７２の前に位相シフタを設ける必要はなく、その一方の前にのみ設けるようにしてもよい。例えば、シャッタ７１の前には位相シフタを設けずに、シャッタ７２の前にのみ位相シフタを配置することができる。
光源２から出射された光ビームは、レンズ４、５によってそのビーム径を広げられ、ハーフミラー６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、その表面形態や内部形態の情報を含む反射光波としてハーフミラー６に再び入射される。特に、信号光Ｓのうち被測定物体Ｏ内の移動体を経由する部分は、その移動体の移動速度に基づくドップラー効果によって周波数がシフトされる。
一方、参照光Ｒは、その光路方向に振動される参照鏡８により反射されてハーフミラー６に再び入射される。
被測定物体Ｏからの信号光Ｓの一部はハーフミラー６により反射され、同時に、参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過する。このとき、信号光Ｓのうち移動体に起因する周波数シフトを受けた部分は、参照光Ｒと重畳されることにより干渉光を生成する。この干渉光は、信号光Ｓが受けた周波数シフト量を反映したビート周波数を有する。このような干渉光を含む重畳光Ｍは、結像用レンズ群１０を経由してビームスプリッタ１３へと伝搬される。
重畳光Ｍは、ビームスプリッタ１３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１３により反射された重畳光Ｍ１は、シャッタ５１を介してＣＣＤ２１により検出される。また、ビームスプリッタ１３を透過した重畳光Ｍ２は、シャッタ７２を介してＣＣＤ２２により検出される。
なお、ビームスプリッタ１３による重畳光Ｍの分割比、つまり反射される重畳光Ｍ１と透過される重畳光Ｍ２との強度比は１：１であることが望ましい。それにより、各ＣＣＤ２１、２２により検出される重畳光Ｍ１、Ｍ２はそれぞれ等しい強度レベルとされ、したがって、各重畳光Ｍ１、Ｍ２に含まれる干渉光の強度も等しい強度となるので、後述の演算処理を行うのに好適である。ただし、重畳光の分割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、図１０を参照して、光画像計測装置１００の制御系の構成について説明する。
光画像計測装置１００の制御系は、第１の実施形態（図２）と同様に、信号処理部２０と、ＣＣＤ２１、２２と、ピエゾ素子９（及び参照鏡８）と、表示装置５０とを含んで構成される。これら各部の動作は、第１の実施形態とほぼ同様である。
更に、光画像計測装置１００は、図９に示したシャッタ７１、７２と、パルス信号発生器８０と、位相シフタ８１、８２とを備えている。
信号処理部２０は、第１の実施形態と同様に、装置各部の制御を行う制御部４０と、ＣＣＤ２１、２２からの検出信号に基づいて被測定物体Ｏのｘ−ｙ断層画像を形成する断層画像形成部４１と、形成されたｘ−ｙ断層画像を各深度毎に関連付けて記憶する画像記憶部４２と、複数のｘ−ｙ断層画像に基づいて被測定物体Ｏの３次元画像等の画像を形成する画像処理部４３とを有している。
制御部４０は、パルス信号発生器８０を制御して、各種の周波数のパルス信号を発生させて位相シフタ８１、８２に出力させる。このように、制御部４０は、シャッタ７１、７２によって重畳光Ｍ１、Ｍ２を遮断する周波数を変更する本発明の「第２の変調周波数変更手段」を構成している。また、制御部４０は、第１の実施形態と同様に、ピエゾ素子９を制御して、参照鏡８の参照光Ｒの光路方向へ移動させる。
［計測処理］
続いて、本実施形態の光画像計測装置１００による被測定物体Ｏの計測処理について説明する。光画像計測装置１００は、図３及び図４に示した第１の実施形態とほぼ同様の計測処理を実行する。
ところで、第１の実施形態の光画像計測装置１は、パルス状の光ビームを出力する周波数を変更するとともに、その偏光特性を制御することによって、重畳光Ｌ１、Ｌ２に含まれる干渉光をサンプリングするように構成されていた。また、第１の実施形態では、パルス状の光ビームを出力する周波数を変更することにより、重畳光Ｌ１、Ｌ２に含まれる様々なビート周波数の干渉光（異なるｚ方向の移動速度を有する移動体に対応する干渉光）を逐次検出するように構成されていた。更に、参照鏡８の位置を変更しつつこのような計測処理を実行することにより、被測定物体Ｏの様々な計測深度におけるｘ−ｙ断層画像を計測し、それら複数のｘ−ｙ断層画像から３次元画像等を形成するようになっていた。
一方、本実施形態の光画像計測装置１００は、ＣＣＤ２１、２２の前にシャッタ７１、７２を設けて同一の周波数で重畳光Ｍ１、Ｍ２を遮断するとともに、シャッタ７１、７２の遮断タイミングに所定の位相差を設けることによって、重畳光Ｍ１、Ｍ２に含まれる干渉光をサンプリングするように構成される。各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号には、重畳光Ｍ１、Ｍ２に含まれる複数の干渉光に対応する干渉周波数成分が含まれている。各干渉周波数成分は、対応する干渉光のビート周波数と等しい周波数を有する。
更に、本実施形態の光画像計測装置１００は、シャッタ７１、７２が重畳光Ｍ１、Ｍ２を遮断する周波数を、干渉光のビート周波数を含む所定の範囲内において変更する。それにより、重畳光Ｍ１、Ｍ２に含まれる複数の干渉周波数成分に基づくｘ−ｙ断層画像を形成することができる。
そして、第１の実施形態と同様に、参照鏡８の位置を変更して被測定物体Ｏの計測深度を変更可能に構成され、各計測深度ｚｉ（ｉ＝１〜Ｎ）において複数のｘ−ｙ断層画像Ｇｉ１〜ＧｉＭを取得して、それら複数のｘ−ｙ断層画像Ｇｉ１〜ＧｉＭを合成して２次元画像Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を形成するとともに、それら２次元画像Ｇｉを各計測深度ｚｉに合わせるように配列させた後に補完処理等の画像処理を実行して被測定物体Ｏの３次元画像等を形成するようになっている。このように、本実施形態の光画像計測装置１００は、第１の実施形態と同様の計測処理を実行することによって、被測定物体Ｏ内の移動体の移動速度の分布を画像化する。
［作用効果］
本実施形態の光画像計測装置１００は、レンズ３、４によってビーム径が拡大された光ビームに基づく重畳光に含まれる干渉光の検出結果に基づいてｘ−ｙ断層画像を形成するように構成されているので、第１の実施形態と同様に、被測定物体Ｏ内の移動体の速度の分布を表現する画像の計測において、ｘ−ｙ方向のスキャンを行うことなく各深度のｘ−ｙ断面の計測を一度に行うことができ、被測定物体Ｏの広範囲に亘る計測を迅速に行うことが可能である。
また、生体組織の血管内を流れる血液の血流速度等の分布を表現する画像の計測において、計測領域を変更するために被測定物体を移動させる必要がないので、被測定物体の広範囲に亘る計測を有効に行うことができる。
［第２の実施形態の変形例］
上述の構成においては、本発明の強度変調手段として、光の透過と遮断とを切り換えるシャッタを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、液晶シャッタの液晶パネルの表示状態を、光を１００％透過させる透過状態と、５０％のみ透過させる半透過状態とに切り換えるなど、光の透過率を切り換えることにより、重畳光Ｍ１、Ｍ２をサンプリングするように構成することができる。
また、第１の実施形態の変形例１及び変形例２等を、本実施形態の光画像計測装置１００に適用することが可能である。また、例えば、参照光Ｒの光路上に周波数シフタを設けたり、参照鏡８を移動させるなどして、参照光Ｒの周波数と信号光Ｓの周波数とを相対的にシフトさせる構成とすることもできる。また、被測定物体Ｏ自体の形態画像を形成し、その形態画像と速度分布画像との合成画像を形成するように構成してもよい。
以上に詳述した第１、２の実施形態は、本発明に係る光画像計測装置を実施するための一構成例に過ぎないものである。したがって、本発明の要旨の範囲内において任意の変形を施すことが可能である。
例えば、被測定物体の所定深度の領域における所定の移動速度の移動体の分布を取得したい場合、参照鏡８を当該所定深度に対応する位置に配置させて振動させるとともに、光ビーム（シャッタ）を当該所定の移動速度に対応する周波数で強度変調（開閉）させて計測を行うように構成することができる。
本発明に係る光画像計測方法は、例えば上記実施形態の光画像計測装置によって実現される。ただし、本発明の光画像計測方法は、それら光画像計測装置により実現されるものには限定されず、本発明の要旨を含むようなあらゆる形態の構成によって実現されるものである。また、本発明の光画像計測方法は、上述の光画像計測装置により実現される内容には限定されず、本発明の要旨の範囲内における任意の変形を加えることができることはいうまでもない。
［付記］
本発明に係る光画像計測装置及び光画像計測方法の他の特徴の一例について、特許請求の範囲に記載の請求項を適宜参照して以下に記載する。
〔付記項１〕
前記第１の変調周波数変更手段は、前記干渉光の前記ビート周波数を含む所定の範囲内で前記強度変調の周波数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。
〔付記項２〕
前記光ビーム出力手段は、
所定の周波数の駆動パルスを出力するパルス駆動手段と、
前記駆動パルスを受けて低コヒーレントな光ビームを前記所定の周波数で出力する光源と、
を含むことを特徴とする請求項１、請求項２又は付記項１に記載の光画像計測装置。
ここで、「パルス駆動手段」は、図１等に記載のパルス駆動器２Ａを含み、「光源」は、図１等に記載の広帯域光源２を含んでそれぞれ構成される。
〔付記項３〕
前記光ビーム出力手段は、
低コヒーレントな光ビームを連続的に出力する光源と、
前記出力された前記連続的な前記光ビームを周期的に遮断するシャッタと、
を含むことを特徴とする請求項１、請求項２又は付記項１に記載の光画像計測装置。
ここで、「光源」は、第１の実施形態の変形例３に記載の（広帯域）光源を含み、「シャッタ」は、同変形例に記載のシャッタを含んで構成される。
〔付記項４〕
前記第２の変調周波数変更手段は、前記干渉光の前記ビート周波数を含む所定の範囲内で前記変調周波数を変更することを特徴とする請求項５に記載の光画像計測装置。
〔付記項５〕
前記強度変調手段は、前記重畳光分割手段により前記複数の光路に分割された前記重畳光の強度を所定の位相差でそれぞれ周期的に変調することを特徴とする請求項６に記載の光画像形成装置。
〔付記項６〕
前記強度変調手段は、前記重畳光を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、請求項５、請求項６、付記項４又は付記項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
〔付記項７〕
前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路上に配置されて前記参照光の周波数をシフトさせる周波数シフタを含むことを特徴とする請求項８に記載の光画像計測装置。
〔付記項８〕
前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路方向に前記参照物体を振動あるいは移動させることにより前記参照光に周波数シフトを付与することを特徴とする請求項８に記載の光画像計測装置。
付記項８にいう「周波数シフト手段」は、図１等に記載の参照鏡８及びピエゾ素子９を含んで構成される。
〔付記項９〕
前記周波数シフト手段は、前記信号光の前記移動体を経由した部分の前記周波数のシフト量の一部を相殺するように、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ることを特徴とする請求項８、付記項７又は付記項８に記載の光画像計測装置。
〔付記項１０〕
前記被測定物体は、生体組織であり、
前記移動体は、前記生体組織の血管内を流れる血液であり、
前記移動速度は、前記血液の血流速度である、
ことを特徴とする請求粉１ないし請求項８のいずれか一項、あるいは、付記項１ないし付記項９のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
付記項１０にいう「生体組織」としては例えば網膜等が相当する。
〔付記項１１〕
前記信号光の前記移動体を経由した部分の前記周波数のシフト量の一部を相殺するように、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るステップを更に含むことを特徴とする請求項１１ないし請求項１７のいずれか一項に記載の光画像計測方法。
本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の制御系の構成の一例を表すブロック図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置により実行される計測処理の一例を表すフローチャートである。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置により実行される計測処理の一例を表すフローチャートである。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置により取得された異なる計測深度における複数の２次元画像に基づいて被測定物体の３次元画像を形成するときの当該複数の２次元画像の配列状態を表す概略図である。 本発明に係る光画像計測装置における干渉光の検出態様を説明するためのグラフ図である。図６（Ａ）は、周波数が強度変調されて広帯域光源から出力される光ビームの時間波形を表す。図６（Ｂ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す。図６（Ｃ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。図６（Ｄ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す図６（Ｅ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の第１の変形例の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の第２の変形例の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の光画像計測装置の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の光画像計測装置の制御系の構成の一例を表すブロック図である。 被検眼の網膜の形態を表す概略図である。 被検眼の網膜の血管の任意の位置における血液の流れの状態、及び、当該位置における信号光の入射状態を表す概略図である。 被検眼の網膜における新生血管の形態について説明するための概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。 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、１′、１″、１００ 光画像計測装置
２ 広帯域光源
２Ａ パルス駆動器
３ 偏光板
４、５ レンズ
６ ハーフミラー
７ 波長板
８ 参照鏡
９ ピエゾ素子
１０ 結像用レンズ群
１１ 偏光ビームスプリッタ
１２ 周波数シフタ
１３ ビームスプリッタ
２０ 信号処理部
２１、２２ ＣＣＤ
４０ 制御部
４１ 断層画像形成部
４２ 画像記憶部
４３ 画像処理部
５０ 表示装置
６１ 広帯域光源
６２ ハーフミラー
６３ 固定鏡
６４ ガルバノミラー
６５ 波長フィルタ
６６ 回折格子
６７ １次元光センサアレイ
７１、７２ シャッタ
８０ パルス信号発生器
８１、８２ 位相シフタ
Ｒ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ、Ｍ 重畳光
Ｌ１ 干渉光のＳ偏光成分を含む重畳光
Ｌ２ 干渉光のＰ偏光成分を含む重畳光
Ｍ１、Ｍ２ 重畳光の一部
Ｏ 被測定物体
Ｇ１１〜ＧＮＭ ｘ−ｙ断層画像
Ｇ１〜ＧＮ ２次元画像
１０００ 網膜
１００１ 視神経乳頭
１００２ 血管
１００３ 新生血管
Ｐ 血管の任意の位置
Ｖ 血管の位置Ｐにおける血流速度

Claims (17)

  1. 低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力手段と、
    前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大手段と、
    前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、
    前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する光ビーム分割手段と、
    直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、
    一方が前記第１の変換手段による直線偏光を、他方が前記第２の変換手段による偏光特性をそれぞれ有する、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光と、を重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳手段と、
    前記生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光の異なる複数の偏光成分をそれぞれ受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する２次元光検出手段と、
    前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成手段と、
    を備えることを特徴とする光画像計測装置。
  2. 前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数を変更する第１の変調周波数変更手段を更に備え、
    前記２次元光検出手段は、前記第１の変調周波数変更手段による前記強度変調の周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度変調される前記光ビームに基づく前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成手段は、
    前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記光ビーム出力手段による前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光画像形成装置。
  3. 前記重畳手段により生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを分離する偏光ビームスプリッタを更に備え、
    前記２次元光検出手段は、前記分離された前記Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分のそれぞれの光路上に設けられている、
    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. 低コヒーレントな光ビームを出力する光源と、
    前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大手段と、
    前記ビーム径が拡大された前記光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する光ビーム分割手段と、
    前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳手段と、
    前記生成された前記重畳光の強度を周期的に変調する強度変調手段と、
    前記強度が変調された前記重畳光を受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する２次元光検出手段と、
    前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記強度変調手段による前記強度の変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布と表す速度分布画像を形成する画像形成手段と、
    を備えることを特徴とする光画像計測装置。
  5. 前記強度変調手段による前記強度の変調周波数を変更する第２の変調周波数変更手段を更に備え、
    前記２次元光検出手段は、前記第２の変調周波数変更手段による前記変調周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度が変調される前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成手段は、
    前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記強度変調手段による前記変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項４に記載の光画像形成装置。
  6. 前記重畳手段により生成された前記重畳光の光路を複数に分割する重畳光分割手段を更に備え、
    前記２次元光検出手段は、前記複数の光路に分割された前記重畳光をそれぞれ受光して検出信号を出力する、
    ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光画像計測装置。
  7. 前記参照光の光路長を変更して前記被測定物体の計測深度を変更する光路長変更手段を更に備え、
    前記２次元光検出手段は、前記光路長変更手段による前記光路長の変更に応じて、異なる複数の計測深度に対応する複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成手段は、
    前記出力された前記複数の計測深度のそれぞれに対応する前記検出信号に基づいて、前記それぞれの計測深度に対応する２次元の前記速度分布画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の速度分布画像を前記計測深度の方向に配列し、更に画像処理を施して、３次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
  8. 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る周波数シフト手段を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
  9. 前記画像形成手段により形成された前記速度分布画像を表示する表示手段を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
  10. 前記被測定物体は被検眼の網膜及び／又はその下部組織であり、
    前記移動体は、前記網膜及び／又はその下部組織の血管内を流通する血液もしくはあらかじめ注入された造影剤を含んだ血液である、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
  11. 低コヒーレントな光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力ステップと、
    前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大ステップと、
    前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換ステップと、
    前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する光ビーム分割ステップと、
    直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換ステップと、
    一方が前記第１の変換ステップによる直線偏光を、他方が前記第２の変換ステップによる偏光特性をそれぞれ有する、前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光と、を重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳ステップと、
    前記生成された前記重畳光に含まれる前記干渉光の異なる複数の偏光成分を２次元光検出手段によりそれぞれ受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する検出ステップと、
    前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成ステップと、
    を含むことを特徴とする光画像計測方法。
  12. 前記光ビーム出力ステップは、前記強度変調の周波数を変更しつつ前記光ビームを出力し、
    前記検出ステップは、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度変調される前記光ビームに基づく前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成ステップは、
    前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記光ビーム出力ステップによる前記強度変調の周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数に基づく２次元の画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光画像計測方法。
  13. 低コヒーレントな光ビームを出力するステップと、
    前記出力された光ビームのビーム径を拡大する拡大ステップと、
    前記ビーム径が拡大された前記光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する光ビーム分割ステップと、
    前記被測定物体内の移動体を経由した部分の周波数がシフトされた前記信号光と、前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて、前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を含む重畳光を生成する重畳ステップと、
    前記生成された前記重畳光の強度を周期的に変調する強度変調ステップと、
    前記強度が変調された前記重畳光を２次元光検出手段により受光して、前記干渉光のビート周波数に対応する干渉周波数成分を含む検出信号を出力する検出ステップと、
    前記出力された前記検出信号に含まれる前記干渉周波数成分のうち、前記強度変調ステップによる前記強度の変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づいて、前記移動体の移動速度の分布を表す速度分布画像を形成する画像形成ステップと、
    を含むことを特徴とする光画像計測方法。
  14. 前記強度変調ステップは、前記変調周波数を変更しつつ前記重畳光の強度を変調し、
    前記検出ステップは、前記変調周波数の変更に応じて、異なる周波数で前記強度が変調される前記重畳光をそれぞれ検出して複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成ステップは、
    前記出力された前記複数の検出信号のそれぞれについて、前記強度変調ステップによる前記変調周波数に略等しい前記ビート周波数に対応する前記干渉周波数成分に基づく２次元の画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の画像を合成して２次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の光画像計測方法。
  15. 前記参照光の光路長を変更して前記被測定物体の計測深度を変更する光路長変更ステップを更に含み、
    前記検出ステップは、前記参照光の光路長の変更に応じて、異なる複数の計測深度に対応する複数の前記検出信号を出力し、
    前記画像形成ステップは、
    前記出力された前記複数の計測深度のそれぞれに対応する前記検出信号に基づいて、前記それぞれの計測深度に対応する２次元の前記速度分布画像を形成するとともに、
    前記形成された複数の前記２次元の速度分布画像を前記計測深度の方向に配列し、更に画像処理を施して、３次元の前記速度分布画像を形成する、
    ことを特徴とする請求項１１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の光画像計測方法。
  16. 前記画像形成ステップにて形成された前記速度分布画像を表示する表示ステップを更に含んでいることを特徴とする請求項１１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測方法。
  17. 前記被測定物体は被検眼の網膜及び／又はその下部組織であり、
    前記移動体は、前記網膜及び／又はその下部組織の血管内を流通する血液もしくはあらかじめ注入された造影剤を含む血液である、
    ことを特徴とする請求項１１ないし請求項１６のいずれか一項に記載の光画像計測方法。
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