CN104515739A - 光学测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学测量装置，可抑制来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的影响，得到测量对象的清晰的像。本发明的光学测量装置使从光源(301)出射的激光分束为信号光、参考光和控制光，利用物镜(309)使信号光会聚照射到测量对象(312)上。控制光由离焦控制部(316、317、318)控制离焦量，并由相位控制部(313、314)控制相位。使被测量对象反射或散射的信号光与控制光合束而生成被控信号光，并使被控信号光与参考光合束，利用干涉光学系统(333)生成相位关系彼此不同的多束干涉光，进行相位分集检测。

Description

光学测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量装置，特别涉及用于进行光层析观测(光断层观察)的光学测量装置。

背景技术

近年来，使用光来获取反映测量对象的表面结构和内部结构的图像的光学相干层析术(OCT：Optical Coherence Tomography)受到了关注(专利文献1)。OCT对人体不具有侵袭性，所以在医疗领域和生物学领域的应用尤其受到期待，并且在眼科领域中，用来形成眼底和角膜等的图像的装置已进入实用化阶段。OCT技术中，使来自光源的光分束为对测量对象照射的信号光和不对测量对象照射而是在参考光反射镜上反射的参考光这2束光，通过使从测量对象反射的信号光与参考光合束(合波)干涉而获得信号。

按测量位置在光轴方向上的扫描方法(以下称为z扫描)，OCT大致分为时域OCT和傅立叶域OCT。时域OCT中，作为光源使用低相干光源，在测量时通过使参考光反射镜扫描而进行z扫描。由此，仅信号光中包含的与参考光的光程一致的成分发生干涉，通过对得到的干涉信号进行包络检波而解调出期望的信号。另一方面，傅立叶域OCT还进一步分为波长扫描型OCT和谱域OCT。波长扫描型OCT使用能够进行出射光的波长扫描的波长扫描型光源，在测量时通过使波长扫描而进行z扫描，通过对检测出的干涉光强度的波长依赖性(干涉谱)进行傅立叶变换而解调出期望的信号。而在谱域OCT中，光源使用宽谱光源(宽带光源)，对生成的干涉光用分光器分光来检测各波长成分的干涉光强度(干涉谱)，这样的处理就对应于进行z扫描。通过对得到的干涉谱进行傅立叶变换而解调出期望的信号。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-218155号公报

非专利文献

非专利文献1：Optics Express Vol.19,5536-5550(2011)

发明内容

发明要解决的技术问题

在利用OCT测量生物体的情况下，一般而言，来自测量对象内部的反射光与来自测量对象表面的反射光相比，或者与来自盖玻片或细胞的培养容器等测量对象保持部与测量对象间的界面上的反射光相比非常小。例如考虑如图1所示对充满了培养液的培养容器内的细胞进行测量的情况。典型的培养容器(聚苯乙烯制)的折射率是1.59，细胞的折射率是1.37左右，根据这些值估算培养容器与细胞的界面上的反射率约为0.55％。而相对地，细胞与培养液的界面上的反射率在设培养液的折射率为1.33左右时为0.022％左右。并且，不同的细胞之间的界面以及细胞内部的反射率应当比这样值更小。图2中表示了使用光轴方向分辨率为5μm的OCT装置沿着图1所示的z扫描轴取得信号的情况下的波形。此处设2个反射点(培养容器底面和细胞的顶点)的距离换算成光程为10μm。根据图2可知，因为与培养容器底面对应的峰值的振幅非常大，所以来自细胞顶点的信号被淹没，难以识别。

于是，现有的OCT装置存在这样的问题，即，由于会检测到来自测量对象的表面或者测量对象保持部与测量对象的界面上的较强的反射光，所以不能够使发生该较强反射光的区域附近的结构清晰地可视化。

本发明为了解决上述课题，使从光源出射的激光分束为信号光、参考光和控制光，利用物镜使信号光会聚照射在测量对象上，通过将被测量对象反射或散射的信号光与控制光合束而生成被控信号光，并使被控信号光与参考光合束而生成相位关系彼此不同的多束干涉光，对这些干涉光进行检测。信号光的会聚位置通过会聚位置扫描部来扫描。此外，控制光的离焦量控制为具有与包含在信号光中的从测量对象表面或测量对象保持部反射的光相同的离焦量，控制光的相位被控制为与信号光相差180°。

由此，控制光成分与来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光成分抵消，所以能够使测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构清晰地可视化。

作为一例，使第一光束会聚到测量对象上的物镜的数值孔径为0.4以上。

由此，无需使用宽谱光源或波长扫描型光源，就能够实现与现有的OCT装置同等或以上的光轴方向的空间分辨率。

作为一例，设置有对控制光附加球面像差的球面像差附加部。

由此，控制光与来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的干涉效率提高，所以能够进一步抑制来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的影响。

作为一例，当令激光的波长为λ、物镜的数值孔径为NA时，对控制光的离焦量进行控制，使得控制光的离焦量与包含在信号光中的从测量对象表面或保持测量对象的保持部反射的光的离焦量的差为0.856λ/(NA)²以下。

由此，控制光与来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的干涉效率提高，所以能够进一步抑制来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的影响。

作为一例，使激光分为2束，在所分束的一方的光束的光路中插入对于激光而言为大致透明的平板，将来自该平板的反射光用作控制光，通过控制透明平板的光轴方向的位置而控制控制光的离焦量。

由此，能够在简单且小型的光学系统结构中，使控制光成分与来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光成分抵消，将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构清晰地可视化。

作为一例，干涉光学系统中生成的干涉光为4束，这4束干涉光中信号光与参考光的干涉相位彼此相差约90度的整数倍，其中，信号光与参考光的干涉相位彼此相差约180度的干涉光的对，由电流差动式光检测器检测，对得到的2个检测信号例如实施平方和运算。

由此，能够得到不依赖于信号光与参考光的相位差的、与信号光的强度成比例的稳定的信号。此外，通过求出所得到的2个检测信号的比并实施反正切运算，也能够获得信号光的相位信息。进而，因为使用了电流差动式的检测器，即使增大参考光的强度检测器也不容易饱和，与不使用电流差动式检测器的情况相比能够增大信号的SN比。

作为一例，利用光程调制部以比因信号光的会聚位置的扫描而产生的信号光的光程的变化速度更高的速度，对信号光与参考光的光程差进行调制，在干涉光学系统中生成2束干涉光，该2束干涉光由电流差动式光检测器检测，对检测信号进行包络检波。

由此，能够用较少的检测器获得期望的信号。

发明效果

根据本发明能够提供一种光学测量装置，其能够抑制来自测量对象表面或测量对象保持部的反射光的影响，将测量对象表面或测量对象保持部附近的结构可视化。

上述以外的问题、结构和效果通过以下实施方式的说明而明确。

附图说明

图1是表示现有的OCT装置和本发明的OCT装置的测量对象的例子的示意图。

图2是表示用现有的OCT装置测量的信号的例子的示意图。

图3是表示本发明的光学测量装置的结构例的示意图。

图4是表示用本发明的OCT装置测量的信号的例子的示意图。

图5是表示用本发明的OCT装置测量的信号的例子的示意图。

图6是表示本发明的光学测量装置的结构例的示意图。

图7是表示本发明的光学测量装置的结构例的示意图。

图8是表示使物镜在光轴方向上扫描的状况的示意图。

图9是表示不驱动压电元件的情况下的信号的示意图。

图10是表示驱动压电元件的情况下的信号的示意图。

附图标记说明

301：光源

302：准直透镜

303，306，319，327：λ/2波片

304，307，320，324：偏振分束器

308，315，328，501：λ/4波片

309，316，502，506：物镜

310，317：物镜致动器

311：样品容器

312：测量对象

313：压电元件

314，325，507：反射镜

333：干涉光学系统

326：半反射分束器

321，329：会聚透镜

330，331：沃拉斯顿棱镜

334，335：电流差动式光检测器

338：信号处理部

323：控制部

339：图像显示部

318，503，506：平板

具体实施方式

以下参考附图说明本发明的实施方式。

(实施例1)

图3是表示本发明的光学测量装置的基本实施例的示意图。

从光源301出射激光。激光被准直透镜302转换为平行光，由光轴方向可调整的λ/2波片(即半波片)303旋转了偏振方向之后，被偏振分束器304分为2束。偏振分束器304所分为2束的一方的光束作为参考光对偏振分束器324入射。偏振分束器304所分为2束的另一方的光束在由光轴方向可调整的λ/2波片306旋转了偏振方向之后，被偏振分束器307分束为信号光和控制光这2束光束。

信号光通过光轴方向被设定为相对于水平方向成约22.5度的λ/4波片(即1/4波片)308，偏振状态从p偏振转换为圆偏振，通过数值孔径0.4以上的物镜309而会聚照射到配置在样品容器311中的测量对象312上。此处，物镜309在控制部323的控制下由物镜致动器310扫描驱动，由此进行信号光在物镜309下的会聚位置(测量位置)的扫描。从测量对象反射或散射的信号光再次通过物镜309之后，偏振状态被λ/4波片308从圆偏振转换为s偏振，对偏振分束器307入射。

控制光被安装在压电元件313上的反射镜314反射，通过光轴方向被设定为相对于水平方向成为约22.5度的λ/4波片315，偏振状态从s偏振转换为圆偏振，然后通过与物镜309相同的物镜316照射到背面蒸镀了反射膜的平板318上。在平板318上反射的控制光再次通过物镜316之后，偏振状态被λ/4波片315从圆偏振转换为p偏振，对偏振分束器307入射。此处，平板318的厚度和材料被设定为使得控制光上被平板318附加的球面像差与来自样品容器的反射光上被样品容器311附加的球面像差相等。作为平板318例如也可以使用与样品容器311相同的容器。

控制光和信号光被偏振分束器307合束，合束后的光的经光轴方向可调整的λ/2波片319旋转了偏振方向之后，被偏振分束器320分为2束。偏振分束器320所分为2束的光束中的一方被会聚透镜321会聚，由检测器322检测。偏振分束器320所分为2束的光束中的另一方作为被控信号光对偏振分束器324入射。

此处，控制光的相位通过控制部323驱动压电元件313而控制，以使得检测器322检测出的光束的强度最大。此外，控制光的离焦(defocus)量通过控制部323驱动物镜致动器317而控制，使得其与包含在信号光中的来自样品容器311的底面(正确而言是样品容器311与测量对象312的界面)的反射光的离焦量相等。

被控信号光和参考光被偏振分束器324合束而生成合成光。合成光在反射镜325上反射之后，被导向包括半反射分束器326、λ/2波片327、λ/4波片328、会聚透镜329a、329b、沃拉斯顿棱镜330、331的干涉光学系统333。

入射到干涉光学系统333的合成光被半反射分束器326分束为透射光和反射光这2束。透射光通过光轴被设定为相对于水平方向成约22.5度的λ/2波片327之后，被会聚透镜329a会聚，再经沃拉斯顿棱镜330偏振分离而生成相位关系相差180度的第一干涉光和第二干涉光。第一干涉光和第二干涉光由电流差动式的光检测器334检测，输出与它们的强度的差成比例的信号336。

另一方面，反射光从光轴设定为相对于水平方向成约45度的λ/4波片328透射之后，被会聚透镜329b会聚，再经沃拉斯顿棱镜331偏振分离而生成相位关系彼此相差180度的第三干涉光和第四干涉光。此处，第三干涉光相对于第一干涉光相位相差90度。第三干涉光和第四干涉光由电流差动式光检测器335检测，输出与它们的强度差成比例的信号337。这样生成的信号336、337被输入到信号处理部338，通过运算得到与信号光的振幅成比例的信号。基于该信号形成的测量对象的层析图像显示在图像显示部339上。

接着，对被控信号光生成之前的光学系统的功能进行说明。在信号光从测量对象和样品容器的底面反射之后而对偏振分束器307入射时，其琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{c}0\\ E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

此处，E_sig表示从测量对象(从物镜的焦点位置)反射的信号光成分的复振幅，E_str表示从样品容器的底面反射的信号光的复振幅，它们通常具有不同的离焦量。另外，在控制光从平板318反射之后而对偏振分束器307入射时的，其琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{reg}}\\ 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

此处，控制光E_reg的相位和离焦量通过压电元件313和物镜致动器317控制。式(1)所表示的信号光与式(2)所表示的控制光被偏振分束器合束而生成的光束的琼斯矢量由下式表示。

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{reg}}\\ E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

若设λ/2波片319的光轴方向的角度为θ度，则从λ/2波片319透射后的光束的琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{cc}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& -\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{reg}}\\ E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{reg}}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+(E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}})\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ E_{\mathrm{reg}}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)-(E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}})\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

因此，通过偏振分束器320后被检测器322检测出的信号I_FB如下所示。

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{FB}}=\frac{1}{2}{\∫}_D{|E_{\mathrm{reg}}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)+(E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{str}})\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)|}^2\mathrm{dr}\\ ={\∫}_D\left[\begin{array}{c}{\left|E_{\mathrm{sig}}\right|}^2{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+{\left|E_{\mathrm{str}}\right|}^2{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+{\left|E_{\mathrm{reg}}\right|}^2{\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+\left|E_{\mathrm{sig}}\right|\left|E_{\mathrm{reg}}\right|\sin \left(4\mathrm{\θ}\right)\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sig}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{reg}})\\ +2\left|E_{\mathrm{reg}}\right|\left|E_{\mathrm{str}}\right|\sin \left(4\mathrm{\θ}\right)\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{reg}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{str}})+2\left|E_{\mathrm{str}}\right|\left|E_{\mathrm{sig}}\right|{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{str}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sig}})\end{array}\right]\mathrm{dr}\\ \left(5\right)\end{array}$

此处，r＝(x，y)表示光束截面的坐标矢量，D表示检测区域，∫_Ddr指的是在整个光束内区域中的积分运算。φ_sig、φ_str、φ_reg分别表示从测量对象反射的信号光的波前、从样品容器底面反射的信号光的波前、控制光的波面，包括各光束的相位信息和离焦量信息。如上所述，控制光的离焦量由物镜致动器317控制为始终与从样品容器底面反射的信号光的离焦量相等。换言之，控制为使得φ_reg与φ_str的依赖于空间坐标r的绝对值的平方的成分相等。上述离焦量的控制能够通过使物镜316的光轴方向的运动与物镜309的光轴方向的运动同步而实施。

此外，控制光的相位由压电元件313控制以使得式(5)表示的I_FB最大。式(5)中，值会因控制光的相位而变化的项是第四项和第五项。第四项表示控制光与从测量对象反射的信号光的干涉，因为|E_sig|＜＜|E_reg|、|E_str|，所以与第五项的影响相比非常小。进而，因为控制光和从测量对象反射的信号光成分的离焦量不同，所以在检测器322上会形成环状的干涉条纹，不会在检测器322上一致地(均匀地)相长或相消。因此，与第四项相比第五项的值相对于控制光的相位变化而变化的比例非常小。从而，压电元件313对控制光的相位控制可近似地按照使式(5)中的第五项最大化的方式实施。因而，离焦控制和相位控制的结果是使得控制光的波前与来自样品容器的底面的信号光成分的波前的关系成为φ_reg＝φ_str。

另一方面，当应用了φ_reg＝φ_str的关系时，在偏振分束器320上反射而生成的被控信号光的琼斯矢量能够如下表示。

$-\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\left(\begin{array}{c}0\\ E_{\mathrm{sig}}+\left(\right|E_{\mathrm{str}}|-|E_{\mathrm{reg}}\left|\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)\right)e^{i{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{str}}}\end{array}\right)---\left(6\right)$

根据式(6)可知，通过调整λ/2波片306的光轴方向的角度而调整控制光的强度(|E_reg|²)以满足|E_reg|tan2θ≈|E_str|，或者通过调整λ/2波片319的光轴方向的角度而调整tan2θ的值以满足|E_reg|tan2θ≈|E_str|，从而能够使来自样品容器的反射光与控制光抵消。这样的调整能够通过事前测量样品容器的反射率而容易地实施。

被控信号光通过偏振分束器324与参考光合束，所生成的被控信号光与参考光的合成光在被反射镜325反射之后，对干涉光学系统333入射。对干涉光学系统333入射时的合成光的琼斯矢量能够如下表示。

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{ref}}\\ E_{\mathrm{sig}}^{\′}\end{array}\right)---\left(7\right)$

此处，E_ref是参考光的复电场振幅，E'_sig是被控信号光的复电场振幅，当应用了|E_reg|tan2θ≈|E_str|时，可以近似地用下式表示。

E′_sig＝-cos(2θ)E_sig   (8)

从半反射分束器326透射，并进而从λ/2波片327透射之后的合成光的琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{cc}1/\sqrt{2}& -1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{ref}}/\sqrt{2}\\ E_{\mathrm{sig}}^{\′}/\sqrt{2}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}-E_{\mathrm{sig}}^{\′}+E_{\mathrm{ref}}\\ E_{\mathrm{sig}}^{\′}+E_{\mathrm{ref}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

在利用沃拉斯顿棱镜330使式(9)所示的合成光偏振分离为p偏振成分和s偏振成分之后，使用电流差动式的光检测器334进行差动检测，所以检测信号336如下所示。

$\begin{array}{c}I={\∫}_D[\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}^{\′}+E_{\mathrm{ref}}|}^2-\frac{1}{4}{|-E_{\mathrm{sig}}^{\′}+E_{\mathrm{ref}}|}^2]\mathrm{dr}\\ ={\∫}_D\left|E_{\mathrm{sig}}^{\′}\right|\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sig}}^{\′}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})\mathrm{dr}\end{array}---\left(10\right)$

此处，φ'_sig、φ_ref分别是用极坐标表示复数E'_sig、E_ref时的相位。为了简化而设检测器的转换效率为1。

另一方面，在半反射分束器326上反射，进而从λ/4波片328透射之后的合成光的琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{cc}i/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}& i/\sqrt{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sig}}^{\′}/\sqrt{2}\\ E_{\mathrm{ref}}/\sqrt{2}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}i(E_{\mathrm{sig}}^{\′}-{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}})\\ E_{\mathrm{sig}}^{\′}+{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right)---\left(11\right)$

在利用沃拉斯顿棱镜331使式(11)所示的合成光偏振分离为p偏振成分和s偏振成分之后，使用电流差动式的光检测器335进行差动检测，所以检测信号337如下所示。

$\begin{array}{c}Q={\∫}_D[\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}^{\′}+{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}|}^2-\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}^{\′}-{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}|}^2]\mathrm{dr}\\ ={\∫}_D\left|E_{\mathrm{sig}}^{\′}\right|\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\sin ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sig}}^{\′}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})\mathrm{dr}---\left(12\right)\end{array}$

对这些输出使用信号处理部338进行以下运算，得到不依赖于相位的、与被控信号光的强度成比例的信号。

|E′_sig|²|E_ref|²＝I²+Q²   (13)

如上所述，干涉光学系统333中生成相位彼此一一相差90度的4束干涉光并对它们进行检测，由此得到不依赖于相位的信号，但从原理上来说，只要生成的干涉光是3束以上，则无论干涉光是多少束都能够得到同样的信号。例如，通过生成相位彼此一一相差60度的3束干涉光并对它们进行检测，能够得到与式(13)表示的信号相同的信号。

本实施例中，通过对信号光叠加离焦量和相位受到控制的控制光，能够抵消包含在信号光中的来自样品容器的反射光。

图4和图5表示使用本实施例的OCT装置获取来自图1所示的测量对象的反射信号的结果的例子。垂直分辨率与图2所示的现有的OCT装置的测量结果的情况同样是5μm。图4和图5均为本实施例的OCT装置的测量结果，其中，图5是使参考光强度的大小或检测器的增益的大小比图4的情况大的情况下的结果。

图4中，与图2的使用现有的OCT装置的情况不同，因为抑制了来自样品容器的较强的反射，所以能够在z＝10μm的位置上确认到与来自细胞的反射对应的峰值。因此，能够将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构清晰地可视化。此外，因为抑制了来自样品容器的较强的反射光，所以检测器不容易饱和，故而可通过增大参考光强度或检测器的增益来如图5所示将来自测量对象的信号放大。由此，能够将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构更加清晰地可视化。

接着说明本发明的OCT装置的空间分辨率。此处，光轴方向的空间分辨率定义为使物镜在光轴方向上扫描时得到的与单一反射面对应的峰的半高全宽。焦点位置相对于反射面偏离了z时的与式(13)对应的信号由下式给出。

$\mathrm{sig}\left(z\right)={\left|E_{\mathrm{sig}}^{\′}\right|}^2{\left|E_{\mathrm{ref}}\right|}^2{\sin c}^2(\mathrm{\π}\·\frac{z}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}^2)---\left(14\right)$

根据上式，来自单一反射面的信号的半高全宽，即光轴方向的空间分辨率近似地如下所示。

$0.886\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{NA}}^2}---\left(15\right)$

此处，λ是激光的波长，NA是物镜309的数值孔径。一般而言，OCT装置中使用的光的波长为不容易被血红蛋白和水吸收的600nm至1300nm左右。例如当物镜的数值孔径为0.4以上时，波长600nm～1300nm时的光轴方向的空间分辨率为约3.3μm～约7.2μm，能够实现与现有的OCT装置同等或以上的较高的光轴方向的分辨率。

此外，本实施例中，平板318的光束所通过的区域的厚度被设定为使得控制光中的由平板318附加的球面像差与来自样品容器的反射光中的由样品容器311附加的球面像差相等，所以控制光与来自样品容器的反射光的干涉效率提高。因此，能够更高精度地抵消来自样品容器的反射光，将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构更加清晰地可视化。

此外，本实施例中，也能够通过进行以下运算获得以参考光的相位为基准的信号光的相位信息。

$\arctan \left(\frac{Q}{I}\right)---\left(16\right)$

信号光的相位信息的使用方法，可以列举如非专利文献1中说明的细胞的活性度的成像等。

最后，针对本发明的离焦控制所需求的精度进行说明。设控制光和来自样品容器的反射光的离焦量(从物镜的焦点位置到反射面的距离)分别为z_reg、z_str，则控制光与来自样品容器的反射光之间的干涉效率由下式表示。

$\sin c(\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\Δz}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}^2)---\left(17\right)$

此处，Δz＝z_reg-z_str。从而，例如在要使来自样品容器的反射光的影响成为现有的10％以下的情况下，必须使式(17)的值为0.95以上。此时，可容许的离焦控制的误差量Δz可以如下表示。

$\mathrm{\Δz}\≤{\mathrm{\φ}}_0\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{\mathrm{NA}}^2}---\left(18\right)$

此处，φ₀是满足sincφ₀＝0.95的常数，为约0.5519。从而，代入该值后，式(18)的右侧表达为0.856λ/(NA)²，式(18)右侧的值例如在λ＝0.780μm、NA＝0.4时是0.86μm，这是通过物镜致动器317的控制能够实现的值。通过使式(17)的值成为0.95以上，能够使来自样品容器的反射光的影响成为现有的10％以下，所以与以往相比能够将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构更加清晰地可视化。

(实施例2)

图6是表示本发明的光学测量装置的另一个实施例的示意图。其中，对于与图3所示的部件相同的部件标注相同的标记并省略其详细说明。本实施例与第一实施例相比，控制光的生成方法和控制光的离焦调整方法有所不同。

从光源301出射激光。激光被准直透镜302转换为平行光，由光轴方向可调整的λ/2波片303旋转了偏振方向之后，被偏振分束器304分为2束。偏振分束器304所分为2束的一方的光束作为信号光通过光轴方向被设定为相对于水平方向成约22.5度的λ/4波片308，偏振方向从s偏振转换为圆偏振，然后通过数值孔径0.4以上的物镜309而会聚照射到配置在样品容器311中的测量对象312上。此处，物镜309在控制部323的控制下由物镜致动器310扫描驱动，由此进行信号光在物镜309下的会聚位置(测量位置)的扫描。从测量对象反射或散射的信号光再次通过物镜309之后，偏振状态被λ/4波片308从圆偏振转换为p偏振，对偏振分束器304入射。

偏振分束器304所分为2束的另一方的光束作为参考光通过光轴方向被设定为相对于水平方向成约22.5度的λ/4波片501，偏振状态从p偏振转换为圆偏振，然后被安装在压电元件313上的反射镜314反射，通过与物镜309相同的物镜502而会聚并同时入射到由平板用致动器504控制光轴方向位置的、对于激光来说大致透明的平板503。入射到平板503的参考光的一部分被平板503的(从光束入射方向观察的)背面反射而成为控制光，再次从物镜502透射，并被反射镜314反射，经λ/4波片501使得偏振状态从圆偏振转换为s偏振，然后对偏振分束器304入射。此处，平板503的厚度和材料被设定为使得控制光的球面像差与来自样品容器(正确而言是样品容器311与测量对象312的界面)的反射光所具有的球面像差相等。

控制光和信号光被偏振分束器304合束，合束后的光的经光轴方向可调整的λ/2波片509旋转了偏振方向之后，被偏振分束器324分为2束。偏振分束器324所分为2束的光束中的一方被会聚透镜321会聚，由检测器322检测。偏振分束器324所分为2束的光束中的另一方成为被控信号光。

此处，控制光的相位通过控制部323驱动压电元件313而控制，以使得检测器322检测出的光束的强度最大。此外，控制光的离焦量通过控制部323驱动平板用致动器504使之与物镜致动器310同步而进行控制，使得其与包含在信号光中的来自样品容器311的底面(正确而言是样品容器311与测量对象312的界面)的反射光的离焦量相等。此外，控制光的球面像差如上所述通过平板503的厚度和材料调整。

入射到平板503并从平板503透射的参考光，通过平板505后被与物镜309相同的物镜506转换为平行光，在反射镜507上反射，由光轴方向被设定为相对于水平方向成约-22.5度的λ/4波片508将偏振状态从圆偏振转换为s偏振，然后入射到偏振分束器324。此处，平板505的光束所通过的区域的厚度和材料与平板503的光束所通过的区域的厚度相等。由此，参考光所具有的球面像差与信号光的球面像差相等，能够防止信号光与参考光的干涉效率降低。被控信号光和参考光被偏振分束器324合束而生成合成光。合成光被导向包括半反射分束器326、λ/2波片327、λ/4波片328、会聚透镜329a、329b、沃拉斯顿棱镜330、331的干涉光学系统333。之后的动作与实施例1相同，所以省略说明。

本实施例中，控制光由透射型的元件(平板503)生成，所以与实施例1相比能够用简单且小型的光学系统使测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构清晰地可视化。

本实施例中，用于生成控制光的平板503被插入到参考光的光路中，但将平板503插入信号光的光路中也能够实现同样的功能。该情况下，在偏振分束器304与λ/4波片308之间插入物镜502、506、平板503、505、平板用致动器504，并在λ/4波片308与物镜309之间插入控制信号光的相位的元件，通过控制信号光的相位而控制信号光与控制光之间的相位差。

此外，本实施例中，平板503的光束所通过的区域的厚度被设定为使得控制光中由平板503附加的球面像差与来自样品容器的反射光中由样品容器311附加的球面像差相等，由此提高了控制光与来自样品容器的反射光的干涉效率。因此，能够更高精度地抵消来自样品容器的反射光，将测量对象表面或测量对象保持部附近的测量对象的结构更加清晰地可视化。

(实施例3)

图7是表示本发明的光学测量装置的另一个实施例的示意图。其中，对于与图3所示的部件相同的部件标注相同的标记并省略其详细说明。本实施例与实施例2的不同之处在于，干涉光学系统中生成的干涉光为2束，并且具有用于高速调制参考光的相位的压电元件。

从光源301出射激光，直到通过使被控信号光与参考光合束而生成合成光为止的结构与实施例2大致相同。不过，在反射镜507被搭载在用于高速调制参考光的相位的压电元件601上这一点与实施例2不同。合成光被导向包括λ/2波片603、会聚透镜604、沃拉斯顿棱镜605的干涉光学系统602。入射到干涉光学系统602的合成光在通过了光轴被设定为相对于水平方向成约22.5度的λ/2波片603之后，被会聚透镜604会聚，再经沃拉斯顿棱镜605偏振分离而生成相位关系相差180度的第一干涉光和第二干涉光。第一干涉光和第二干涉光由电流差动式的光检测器334检测，输出与它们的强度差成比例的信号336。信号336由下式表示。

$I=4{\∫}_D\left|E_{\mathrm{sig}}^{\′}\right|\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\cos ({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sig}}^{\′}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ref}})\mathrm{dr}---\left(19\right)$

本实施例中，在获取信号时驱动压电元件601以比因物镜309的扫描而产生的信号光的相位变化更高的速度来对参考光的相位进行调制。图8～图10是说明使用本实施例的OCT装置使物镜309在z方向上扫描时检测出的信号的图。此处，在如图8所示测量对象中存在3个反射面的情况下的检测信号表示在图9、图10中。

图9是不驱动压电元件601的情况下的信号的示意图。该情况下，来自某个反射面的信号的包络线中包含的波的数量可以近似地由(信号的峰宽)÷(波长)给出。当令激光的波长为λ，物镜的数值孔径为NA时，信号的峰宽由λ/NA²表示，所以(信号的峰宽)÷(波长)＝1/NA²。例如在NA＝0.6的情况下，该值为约2.8。从而，包络线的频率与其中包含的波的频率仅相差2.8倍左右，所以难以应用包络检波，不能够基于检测信号生成图像数据。另一方面，在驱动压电元件601的情况下，可得到如图10所示的信号。该情况下，在信号光的焦点位置通过反射面的期间，参考光的相位被高速调制，所以来自某个反射面的信号的包络线中包含的波的数量根据相位调制的速度而相应地增加。由此，包络线的频率与其中包含的波的频率相差较大，所以能够应用包络检波，能够基于检测信号生成图像数据。即，本实施例中与实施例2不同，能够通过包络检波从检测信号中获得期望的信号，所以能够用比实施例2更少的检测器实现同样的功能。

此外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而作出的详细说明，并不限定于必须具备说明的所有特征。此外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，或者在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。并且，各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。

Claims (9)

1.一种光学测量装置，其特征在于，包括：

出射激光的光源；

使所述激光分束为信号光、参考光和控制光的光分束部；

使所述信号光会聚照射在测量对象上的物镜；

使所述信号光的会聚位置扫描的会聚位置扫描部；

控制所述控制光的离焦量的离焦控制部；

控制所述控制光与信号光之间的相位差的相位控制部；

使被测量对象反射或散射的信号光与所述控制光合束，生成被控信号光的被控信号光生成部；

使所述被控信号光与所述参考光合束，生成相位关系彼此不同的多束干涉光的干涉光学系统；和

对所述干涉光进行检测的光检测器。

2.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述物镜的数值孔径为0.4以上。

3.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

包括对所述控制光附加球面像差的球面像差附加部。

4.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述离焦控制部控制所述控制光的离焦量，使得所述控制光的离焦量与包含在所述信号光中的从测量对象表面或保持测量对象的保持部反射的光的离焦量相等。

5.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

当令所述激光的波长为λ、所述物镜的数值孔径为NA时，

所述离焦控制部控制所述控制光的离焦量，使得所述控制光的离焦量与包含在所述信号光中的从测量对象表面或保持测量对象的保持部反射的光的离焦量的差为0.856λ/(NA)²以下。

6.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述光分束部包括将所述激光分束为信号光和参考光这2束光的光分束元件，和被插入到所述信号光或所述参考光的光路中的平板，

所述平板使所述信号光或所述参考光的一部分反射而形成控制光。

7.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

包括用于调整包含在所述被控信号光中的控制光的强度的部件。

8.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述干涉光学系统中生成的干涉光为4束，

所述信号光与所述参考光的干涉相位彼此相差约90度的整数倍，

所述信号光与所述参考光的干涉相位彼此相差约180度的干涉光的对，由电流差动式光检测器检测。

9.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

包括光程调制部，以比因所述信号光的会聚位置的扫描而产生的信号光的光程的变化速度更高的速度，对所述信号光与所述参考光的光程差进行调制，

所述干涉光学系统中生成的干涉光为2束，该2束干涉光由电流差动式光检测器检测。