JPH11325849A - スペクトル干渉に基づく光学・トモグラフィ―および光学表面プロファイル測定装置 - Google Patents

スペクトル干渉に基づく光学・トモグラフィ―および光学表面プロファイル測定装置

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JPH11325849A
JPH11325849A JP11082817A JP8281799A JPH11325849A JP H11325849 A JPH11325849 A JP H11325849A JP 11082817 A JP11082817 A JP 11082817A JP 8281799 A JP8281799 A JP 8281799A JP H11325849 A JPH11325849 A JP H11325849A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】透明、一部透明および不透明物体に対してスペ
クトル干渉に基づくＯＣＴ法により光学表面プロファイ
ル測定および光学断面像撮影を解像力の低下なく行うた
めの装置 【解決手段】参照光を、不連続な相転位の作用下で、測
定したスペクトル強度から波長スペクトルの相を測定す
るのに利用する

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、透明、一部透明お
よび不透明物体に対して光学表面プロファイル測定およ
び光学断面像撮影を行うための装置に関するものであ
る。この種装置は多方面で使用することが可能である。
現在では特に医療分野で大いに重要度を増してきている
が、適用分野はそれに限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】９０年代に二つの基本的な光学・トモグ
ラフィー法が開発された。散光トモグラフィーでは観察
すべき物体対象領域の吸収係数および散乱係数は、その
観察対象領域を複数回散乱状態で通過する光線の持つ特
徴的な影響ファクターから求められる。この方法により
提供される像は、立体解像力に劣っている。第二の方法
は光学・コヒーレンス・トモグラフィーであり（一般に
はＯＣＴ=“Optical Coherence Tomography”と称され
る）、光の干渉性に基づくものであって、解像性の高い
像を供給する[D.Huang、 E.A.Swanson、C.P.Lin、J.S.S
chuman、W.G.Stinson、W.Chang、M.R.Hee、T.Flotte、
K.Gregory、C.A.Puliafito、J.G.Fujimoto : 「光学・
コヒーレンス・トモグラフィー」、雑誌サイエンス（１
９９１年）、１１７８〜１１８１ページ]。
【０００３】ＯＣＴは本来「光学・ショートコヒーレン
ス・トモグラフィー」と称せられるべきである。ここで
は短コヒーレント光、つまり明確なスペクトル幅を持っ
ていて、時間的コヒーレンスの短い光が対象になるから
である。ＯＣＴの場合、観察物体は干渉計の計測光線に
より物体表面上Ｘ方向に伸びた線に沿って点単位で走査
される。どの点でも計測光線は物体内に侵入し（Ｚ方
向）、その反射光は干渉計の参照光によって干渉され
る。短コヒーレント光を使用するので、干渉は計測光と
参照光がコヒーレンス長内で同じ光路を有している場合
に限り発生する。参照鏡により光を測定距離だけ連続的
に通過させることによって、測定対象物体のどの表面の
対応下方点についても光線反射深部位置Ｚおよび光線散
乱強度が記録される。
【０００４】この方法は、公知の超音波法に準じて「光
学Ａ-スキャン」とも称される（但し、超音波Ａ-スキャ
ンでは音響反射地点の深部位置が物体内部からの経過時
間を基に特定されるのに対し、ＯＣＴの場合深部位置は
干渉に必要な計測光、参照光間の光路長補正を通じて求
められるところに違いがある）。Ｘ方向に順次並列的に
なされた光学Ａ-スキャンから、最終的には個々の走査
の合成によりＯＣＴトモグラフが作成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＯＣＴはその間、特に
眼科の分野では非常に有力な診断術へと発展した。しか
し、ＯＣＴ法には参照鏡を機械的に動かさねばならない
という固有の欠陥がある。この機械的運動は磨滅を伴う
ので、像形成速度を制限させることになる。上記の光学
Ａ-スキャンに代わるのがスペクトル干渉法である。こ
の場合では光を反射する物体の深部位置Ｚは、文献「応
用光学」（L.M.Smith/C.C.Dobson著、１９８９年刊、第
２８巻、第１５号、３３３９〜３３４２ページ）に書か
れているように反射光の波長スペクトルから測定され
る。この方法はオーストリア特許出願Ａ２１６/９３-１
およびドイツ特許出願ＤＥ ４３ ０９０５６ Ａ１の
基礎となっている。この場合では、光学Ａ-スキャン
は、物体からの反射光のスペクトル強度分布に対するフ
ーリエ変換によって得られる。
【０００６】最後に説明した方法の場合、物体からの反
射光のスペクトルは、例えばスペクトル分光器平面のダ
イオード・アレイによって求められる。尤も、フーリエ
変換の直接的適用によって得られるのは本来のＡ-スキ
ャンでなく、Ａ-スキャンの自己相関関数である[その正
確な根拠については例えば文献「後方散乱スペクトルの
干渉法による視覚内距離の測定」（A.F.Fercher、C.K.H
itzenberger、G.Kampf、S.Y.El-Zaiat著、「光通信」１
１７号/１９９５年、４３〜４８ページ）参照]。
【０００７】これに対する物理的根拠として、ダイオー
ド・アレイによる記録は物体からの反射光のうちの波長
依存強度（又はその平方根、つまり振幅量）だけであっ
て、位相は明確には考慮されていないという事実があ
る。位相にも関与するためには、物体光に対して物体深
度を越える光路差を持つ参照波が必要である。しかし、
これはダイオード・アレイで解像の必要もあるスペクト
ル中の空間周波数をかなり拡大させることになる。それ
故、ここではダイオード・アレイの持つ解像力の一部
は、写像の解像度を高めることなく単に位相記録に使用
される。しかし、このＯＣＴ法の解像度は利用可能なダ
イオード・アレイの解像度によって決まるので、ＯＣＴ
画像の解像に関して不必要な制限がもたらされる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】それに対して本発明に基
づく装置では、確かに参照波は同様に使用するが、しか
しダイオード・アレイの解像力を追加要求するものでは
ない。本発明装置は、複素分光振幅のフーリエ変換によ
り、つまり反射光線の分光振幅量Ａ(λ)および分光位相
φ(λ)から、光散乱位置の計測光線沿いＺ方向への分
布、より詳しくは散乱ポテンシャルＦ(Ｚ)を求める文献
記載の方法[「後方散乱スペクトルの干渉法による視覚
内距離の測定」（A.F.Fercher、C.K.Hitzenberger、G.K
ampf、S.Y.El-Zaiat著、「光通信」１１７号/１９９５
年、４３〜４８ページ）]に基づいている。それ故、反
射光のうち利用する波長について振幅および位相を測定
しなければならない。
【０００９】本発明に基づく方法の場合でも確かに参照
光が利用されるが、物体光に対して追加の光路差は必要
でない。参照光は不連続なステップ単位で位相変化す
る。なお、物体光の振幅および位相はインタフェログラ
ムの当該分光強度から測定する。デジタル干渉法に於い
てはそのような位相測定法が現時点での技術水準であ
り、例えば、P.Hariharan著「光学干渉測定法」[アカデ
ミックプレス/１９８５年刊、ISBN ０ １２ ３２５２
２０ ２]に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】以上の通り、本発明に基づく装置
は主として、被測定物体を照射する照射光線、被測定物
体から反射した物体光を分光分離する格子状分光器又は
分光プリズム、物体光に重ねられ、物体光に対してステ
ップ単位で位相変化し得る参照光および参照光の位相値
が区々である場合にインタフェログラムの分光強度を測
定する検出用アレイで構成されている。
【００１１】以下に本発明を図に基づいて詳しく説明す
る。本発明に基づく装置の基本原理は、図１に表した通
りである。光源１としては時間的に短コヒーレントで、
空間的には完全コヒーレントの光源、例えばスーパール
ミネセントダイオードが用いられる。光源１から放出さ
れた光線は分割鏡２により計測光３と参照光４に分割さ
れる。計測光３は回転式転向鏡５によってレンズ６のほ
うに向けられ、当レンズから被測定物体７に集束され
る。被測定物体からの反射光は、レンズ６および転向鏡
５を通って分割鏡２に戻り、ここから干渉計出口のほう
に向かう。そこには分散プリズム（又は回折格子）８、
分光器（レンズ）９および検出アレイ１０から成る分光
光度計が設置されている。分光光度計は、光線位置Ｘに
おいて照射物体深部全体から反射された光の強度を参照
光抜きで波長λ:Ι(χ，λ)の関数で記録する。
【００１２】参照光束４は、参照鏡１１によって反射さ
れ、光線分割器２を通ってやはり干渉計出口に到り、そ
こで分散プリズム８、分光器レンズ９および検出アレイ
１０から成る分光光度計に衝突する。参照鏡１１で反射
された参照光４の位相Pは、圧電調整器１２の利用のも
とで参照鏡１１の位置をずらすことにより不連続なステ
ップ単位で変化させることができる。この場合、光線分
離器２からの光学距離が特にほぼ同じになるように参照
鏡１１と物体７とを設置することができるし、またそう
すべきであると言わねばならない。その時には検出アレ
イ１０で解像可能なスペクトル内において上記のような
空間周波数の上昇は起こらない。
【００１３】以下では、本発明に基づく装置の機能を公
知であるデジタル干渉位相測定法に基づき説明する。そ
のような方法は相当数あり、そのうちの幾つかは上記引
用文献「光学干渉測定法」に紹介されている。参照アー
ム中の不連続な位相ステップの技術的実現についても、
例えば偏光光学をベースとした、あるいは圧電調整素子
を利用した幾つかの可能性がある。これらはいずれも公
知の技術水準のものであり、ここでは詳しくは説明しな
い。
【００１４】圧電調整器１２を使って、例えば参照鏡を
光線軸に沿って移動させることにより位相測定するに
は、参照鏡の下記３つの不連続調整機能を利用すること
ができる（いずれも同一の計測光ポジションχで行
う）: (１) 第一のセッティングは、圧電調整器１２の静止位
置にすることができる。このセッティングを位相値P=０
とすることができる（問題になるのは３セッティングの
位相差だけだからである）。分光器の検出アレイ１０が
光線ポジションχおよび波長λにおける強度I(χ;P=０;
λ)を呈示する。 (２) 第二のセッティングは、参照鏡をλ/８だけ移動さ
せた後に行う。この場合、光がこの追加距離分を二回通
過することになるので、これはP=π/２の位相移動に相
当する。分光器の検出アレイ１０がこの時は強度 I(χ;P=π/２;λ) を呈示する。 (３) 最後には参照鏡をさらにλ/８だけ移動させ、その
後P=πにおいて改めて測定を行う。 I(χ; P=π;λ)
【００１５】上記３つの測定から次式に基づき物体波長
の位相φ(χ;λ)を求める : φ(χ;λ)=arctan{[2・I(χ;π/2;λ)-I(χ;０;λ)-I
(χ;π;λ)]/[I(χ;π;λ)-I(χ;０;λ)]} さらには、強度I(χ;λ)から次式に基づき振幅Ａ(χ;
λ)の値を求める : A(χ;λ)=√I(χ;λ) と I(χ;λ)=1/2・[Ι(χ;ο;λ)+
Ι(χ;π;λ)] このようにして得た反射光のスペクトル振幅Ａ(χ;λ)
およびスペクトル位相φ(χ;λ)は、次式で表されるポ
ジションχにおける計測光に沿った散乱ポテンシャルＦ
(χ;ｚ)の計算に用いられる : Ｆ(χ;ｚ)=FT{Ａ(χ;λ)・exp(i・φ(χ;λ)} 様々なＸ値に於ける上記のような多数の測定を基にし
て、コンピューター１３によりトモグラフＦ(χ;ｚ)を
合成する。
【００１６】最後に再度指摘しておくが、当位相測定の
場合問題になるのは計測光と参照光との相対位相差だけ
である。したがって、参照光の位相は変えずに計測光に
ついてのみ、物体に当たる前か当たった後に必要なだけ
不連続的に位相変化させるという方法が取れる。その状
態を表したのが図２の装置であり、その場合計測光はま
ずミラープリズム１４から屋根型プリズム１５のほうに
誘導され、そこからまたミラープリズム１４に戻され
る。計測光のその後の経路は図１の通りである。圧電調
整器の上に屋根型プリズムを設置することで、位相測定
に必要な物体光における不連続位相変位が導き出せる。
参照光光束４は光線分割器２から転向鏡１６および１７
を経由して分光器へと誘導される。
【００１７】念のために付け加えておくが、不透明物体
を対象とする場合、この方法では確かにトモグラフは撮
影できないが、しかしトモグラフィー技術により表面プ
ロファイルの撮影は可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の基本原理
【図２】位相変化させる場合の屋根型プリズムを設置し
た例
【符号の説明】
１ ...時間的に短コヒーレントで、空間的には完全コヒ
ーレントの光源 ２ ...光線分割器 ３ ...計測光 ４ ...参照光 ５ ...回転可能な転向鏡 ６ ...集束レンズ ７ ...観察物体 ８ ...分散プリズム ９ ...分光器レンズ １０...検出アレイ １１...参照鏡 １２...圧電調整器（電動調整器含む） １３...コンピューター １４...ミラープリズム １５...屋根型プリズム １６...転向鏡 １７...転向鏡

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】測定腕が、例えば回転式転向鏡により物体
    を走査し、参照腕に参照鏡が設置されており、さらにそ
    の出口では、計測腕および参照腕からの光束の干渉によ
    って現れる光の強度が、分光器で分析もされるという干
    渉器が利用されていて、参照腕には参照光光束位相を不
    連続な値で段階的に変える装置が設置されていることを
    特徴とする光学干渉断層撮影および光学干渉局所記載の
    ためのスペクトル干渉に基づく光学・トモグラフィーお
    よび光学表面プロファイル測定装置。
  2. 【請求項２】 計測腕に計測光光束の位相を段階的に不
    連続な値で変化させる装置が設置されていることを特徴
    とする、請求項１に記載の光学干渉断層撮影および光学
    干渉局所記載のためのスペクトル干渉に基づく光学・ト
    モグラフィーおよび光学表面プロファイル測定装置
JP08281799A 1998-03-30 1999-03-26 スペクトル干渉に基づく光学・トモグラフィーおよび光学表面プロファイル測定装置 Expired - Lifetime JP4304286B2 (ja)

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