CN104914074A - 光学层析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学层析装置，抑制来自测量对象的表面的反射光的影响，得到测量对象的清晰的像。本发明的光学测量装置包括：出射激光的光源；使上述激光分束为信号光和参考光的光分束单元；使上述信号光会聚照射在测量对象上的物镜；使上述信号光的会聚位置在光轴方向上扫描的会聚位置扫描单元；使被测量对象反射或散射后的信号光与上述参考光合束而生成相位关系彼此不同的多束干涉光的干涉光学系统；检测上述多束干涉光，将多个检测信号作为电信号输出的光检测器；和对上述多个检测信号实施运算处理的信号处理部，在上述信号处理部中从上述多个检测信号的每一个或者从使用这些检测信号生成的各个信号中减去来自测量对象的特定部位的反射光成分。

Description

光学层析装置

技术领域

本发明涉及使用光的干涉来观察测量对象的光学层析装置(光学断层观察装置)。

背景技术

近年来，使用光的干涉来获取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。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。例如，OCT技术如专利文献1中所记载的那样，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)，这样的处理就相当于进行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：US2012/0300217号公报

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(或者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，不同的细胞彼此之间的界面以及细胞内部的反射率应当比这样的值更小。因而，来自测量对象内部的反射光会被非常强的表面反射光所淹没，无法使测量对象的表面附近的内部结构清晰地可视化。

为了验证表面反射光的影响，考虑如图2所示的在反射率10％的表面的内侧按5μm间隔存在2个反射率1％的界面的测量对象。图3的实线是使用垂直分辨率为约3μm的OCT装置，沿着图2所示的z扫描轴获取图像化信号的情况下的信号波形。根据图示可知，第二界面位置的峰能够清晰地识别，而第一界面位置的峰由于与表面反射光成分干涉而几乎消失，难以识别第一界面的存在。

作为用于抑制上述表面反射的影响的技术，可以考虑从图像化信号中减去表面反射光成分的方法。

图4是从图3所示的图像化信号(实线)中减去表面反射信号成分(虚线)后的结果。根据图示可知，在不存在界面的位置(深度2μm)出现了峰，而第一界面的峰位置也从本来的深度5μm偏移至深度约6μm，无法得到正确反映测量对象结构的信号。这种单纯从图像化信号中减去表面反射信号成分的方法没有考虑光的干涉效应，所以不能够充分抑制表面反射光的影响，无法正确地拍摄测量对象的结构。

如上所述，在现有的OCT装置中，存在着由于测量对象的较强的表面反射光的影响而不能够使表面附近的结构清晰地可视化这一技术问题。

解决问题的技术手段

(1)本发明为了解决上述技术问题，使从光源出射的激光分束为信号光和参考光，利用物镜使信号光会聚照射在测量对象上，利用会聚位置扫描单元使上述信号光的会聚位置扫描(即连续地改变会聚位置)，并通过干涉光学系统使从测量对象反射或散射的上述信号光与上述参考光合束而生成相位关系彼此不同的3束以上的干涉光，对这些干涉光进行检测。进而，从检测到的3个以上的检测信号的每一个中，或者从使用这些检测信号生成的各个信号中，减去来自发生强反射的特定部位的反射光成分(减法处理)。之后，对进行了这样的减法处理后的信号实施规定的运算而生成图像化信号。此处，检测信号是利用光电二极管等光检测器对生成的干涉光进行检测而生成的，是具有与检测到的干涉光强度成比例的振幅的电信号。此外，图像化信号是该信号的强度相当于图像的亮度的信号。另外，发生强反射的部位是与测量区域的其他部位相比具有较大的反射率的部位，是被认为来自该部位的反射光会妨碍其周边部分的结构的清晰可视化，而可以由用户选择去除来自该部位的反射光的影响的部位。具体而言，可以考虑测量对象的表面、穿过某容器照射信号光的情况下的该容器的表面、或者测量对象位于福尔马林溶液等液体中的情况下的该液体的液面等。此外，上述“使用这些检测信号生成的各个信号”指的是检测信号的差动输出信号或对检测信号实施规定的运算而得到的信号等。另外，“减去的反射光成分”指的是来自特定部位的反射光本身，和/或后向散射光。

由此，能够抑制来自测量对象表面等特定部位的强反射光的影响，所以能够使上述特定部位附近的结构清晰地可视化。

(2)作为一例，使上述信号光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。

(3)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。

由此，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提高信号的SN比。

(4)作为一例，还包括出射与上述激光不同波长的光的第二光源、调整上述参考光的相位的相位调整单元和控制上述相位调整单元的控制部。此外，从上述第二光源出射的光被上述光分束单元分束为第二信号光和第二参考光，上述第二信号光和上述第二参考光在分别通过与上述信号光和上述参考光共用的光路之后被合束，上述控制部控制上述相位调整单元，使得由上述第二信号光与上述第二参考光合束而生成的干涉光的强度大致一定(大致为固定值)。

由此，在测量对象的位置因外部干扰而变动的情况下，上述信号光与上述参考光之间的相位关系也可以保持一定，所以能够高精度地从检测到的3个以上的检测信号的每一个中，或者从使用这些检测信号生成的各个信号中，减去来自测量对象的表面等发生强反射的部位的反射光成分。

(5)作为一例，上述第二光源使用低相干光源。此处，低相干光源是出射相干长度约50μm以下的光的光源，例如是SLD光源或ASE光源或者在驱动电流上叠加了高频电流的LD光源等。

由此，通过调整上述第二参考光的光程差能够有选择地仅检测来自测量对象的特定部位的反射光成分，能够使上述信号光与上述参考光之间的相位关系高精度地保持一定。

发明效果

根据本发明能够提供一种光学测量装置，其能够抑制在测量对象的表面等特定部位发生的强反射光的影响，使上述特定部位附近的结构清晰地可视化。

上述之外的技术问题、特征和效果，将通过以下实施方式的说明而明确。

附图说明

图1是表示OCT装置的测量对象之一例的示意图。

图2是表示OCT装置的测量对象之一例的示意图。

图3是表示用现有的OCT装置检测到的信号之一例的示意图。

图4是表示用现有的OCT装置检测到的信号之一例的示意图。

图5是表示本发明的光学测量装置的结构例的示意图。

图6是表示本发明的光学测量装置中的信号处理方法的示意图。

图7是表示用本发明的OCT装置检测到的信号之一例的示意图。

图8是表示本发明的光学测量装置的结构例的示意图。

图9是表示本发明的光学测量装置中的另一信号处理方法的示意图。

图10是表示OCT装置的测量对象的另一例的示意图。

图11是表示用本发明的OCT装置检测到的信号的另一例的示意图。

图12是表示用本发明的OCT装置检测到的信号的另一例的示意图。

图13是表示本发明的光学测量装置中的另一信号处理方法的示意图。

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5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501出射的激光被准直透镜502转换为平行光，由光轴方向可调整的λ/2波片(即半波片)503旋转了偏振方向之后，被偏振分束器504分束为信号光和参考光这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)505，偏振状态从s偏振转换为圆偏振之后，通过数值孔径0.4以上的物镜506而会聚照射到测量对象508上。此处，物镜506由物镜致动器507扫描驱动，由此反复进行信号光在物镜506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中包含的来自物镜焦点位置的反射光成分由物镜506转换为平行光，偏振状态被λ/4波片505从圆偏振转换为p偏振，接着入射到偏振分束器504。另一方面，参考光从λ/4波片509透射，偏振状态从p偏振转换为圆偏振，在入射到反射镜510并在其上反射之后，由λ/4波片509将偏振状态从圆偏振转换为s偏振，入射到偏振分束器504。信号光和参考光由偏振分束器504合束(合波)而生成合成光。合成光被导向包括半反射分束器512、λ/2波片513、λ/4波片514、会聚透镜515、516、沃拉斯顿棱镜517、518的干涉光学系统511。入射到干涉光学系统511的合成光被半反射分束器512分束为透射光和反射光这2束光。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513之后，被会聚透镜515会聚，再经沃拉斯顿棱镜517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519检测，输出与它们的强度的差成比例的差动输出信号521。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514透射之后，被会聚透镜516会聚，再经沃拉斯顿棱镜518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520检测，输出与它们的强度差成比例的差动输出信号522。这样生成的差动输出信号521、522(以下称为I(z)、Q(z))被输入到信号处理部523实施运算处理。基于图像化信号524形成的测量对象的层析图像显示在图像显示部525上。

接着，使用数学式说明干涉光学系统511的工作原理。入射到干涉光学系统511时的合成光的琼斯矢量由下式表示。

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sig}}\\ E_{\mathrm{ref}}\end{array}\right)$                      式1

此处，E_sig表示从测量对象反射的信号光的电场复振幅，E_ref表示参考光的复振幅。E_sig能够用信号光所会聚的光轴方向的位置z、从测量对象的表面起计数的第j个反射面的光轴方向位置z_j、来自第j个反射面的反射光的电场复振幅A_j来如下所示地表示。

$E_{\mathrm{sig}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left|A_j\right|\exp \left[i(W(z-z_j)r^2+2k{z}_j)\right]$            式2

其中，W(z-z_i)r²表示离焦像差，W可以由W＝2π*NA²*z/(λ/d²)给出。r是与光轴中心的距离，d是透镜孔径的半径，k是激光的波数。

从半反射分束器512透射，进而通过λ/2波片513之后的合成光的琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{cc}1/\sqrt{2}& -1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sig}}/\sqrt{2}\\ E_{\mathrm{ref}}/\sqrt{2}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sig}}-E_{\mathrm{ref}}\\ E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{ref}}\end{array}\right)$            式3

(式3)所示的合成光在经沃拉斯顿棱镜517偏振分离为p偏振成分和s偏振成分之后，由电流差动式光检测器519进行差动检测，所以I(z)如下所示。

$I\left(z\right)={\∫}_D[\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}+E_{\mathrm{ref}}|}^2-\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}-E_{\mathrm{ref}}|}^2]\mathrm{d\ρ}$            式4

此处，ρ＝(x,y)表示光束截面的坐标矢量，D表示检测区域，∫_Ddρ代表在光束内整个区域中的积分运算。出于简化考虑，设检测器的转换效率为1。

另一方面，在半反射分束器512上反射，进而从λ/4波片514透射后的合成光的琼斯矢量如下所示。

$\left(\begin{array}{cc}i/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\\ 1/\sqrt{2}& i/\sqrt{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{sig}}/\sqrt{2}\\ E_{\mathrm{ref}}/\sqrt{2}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}i(E_{\mathrm{sig}}-{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}})\\ E_{\mathrm{sig}}+{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}\end{array}\right)$            式5

(式5)所示的合成光经沃拉斯顿棱镜518偏振分离为p偏振成分和s偏振成分之后，由电流差动式光检测器520进行差动检测，所以Q(z)如下所示。

$Q\left(z\right)={\∫}_D[\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}+{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}|}^2-\frac{1}{4}{|E_{\mathrm{sig}}-{\mathrm{iE}}_{\mathrm{ref}}|}^2]\mathrm{d\ρ}$            式6

进而，将(式2)代入(式4)、(式6)进行积分得到下式。

$I\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_j\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)+2k(z_i-z_{\mathrm{ref}}))$      式7

$Q\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_j\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)}\sin (k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)+2k(z_i-z_{\mathrm{ref}}))$      式8

此处，z_ref是反射镜510的光轴方向位置，k_eff＝π*NA²/λ。

(式7)、(式8)表示的I(z)、Q(z)被输入到信号处理部523，在按照图6所示的流程分别减去来自特定部位的反射光成分之后，实施平方和运算。以下说明减去表面反射光成分的情况下的该信号处理方法。I(z)、Q(z)中包括的表面反射信号成分I₀、Q₀，是(式7)、(式8)内的与j＝0对应的项，所以由下式给出。

$I_0\left(z\right)=\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)+2k(z_0-z_{\mathrm{ref}}))$         式9

$Q_0\left(z\right)=\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)+2k(z_0-z_{\mathrm{ref}}))$       式10

为了使用检测信号表示由(式9)、(式10)给出的表面反射信号成分，利用以下关系式。

$\begin{array}{c}I\left(z_0\right)=\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\cos \left(2k(z_0-z_{\mathrm{ref}})\right)\\ +\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_j\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z_0-z_i)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z_0-z_i)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z_0-z_i)+2k(z_i-z_{\mathrm{ref}}))\\ \≈\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\cos \left(2k(z_0-z_{\mathrm{ref}})\right)\end{array}$       式11

$\begin{array}{c}Q\left(z_0\right)=\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\sin \left(2k(z_0-z_{\mathrm{ref}})\right)\\ +\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_j\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)}\sin (k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)+2k(z_i-z_{\mathrm{ref}}))\\ \≈\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|\sin \left(2k(z_0-z_{\mathrm{ref}})\right)\end{array}$       式12

$\arctan \left(\frac{Q\left(z_0\right)}{I\left(z_0\right)}\right)\≈2k(z_0-z_{\mathrm{ref}})$       式13

$\sqrt{{\left\{I\left(z_0\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(z_0\right)\right\}}^2}\≈\left|E_{\mathrm{ref}}\right|\left|A_0\right|$       式14

此处，在(式11)～(式14)中，对于j>0利用下式进行近似。

$\left|A_0\right|>>\left|A_j\right|\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_i)}$       式39

再将(式13)、(式14)代入(式9)、(式10)得到下式。

$I_0\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{I\left(z_0\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(z_0\right)\right\}}^2}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)+\arctan \left(\frac{Q\left(z_0\right)}{I\left(z_0\right)}\right))$     式15 $Q_0\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{I\left(z_0\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(z_0\right)\right\}}^2}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)}\sin (k_{\mathrm{eff}}(z-z_0)+\arctan \left(\frac{Q\left(z_0\right)}{I\left(z_0\right)}\right))$    式16

这样，在本发明中，检测信号中包括的表面反射光成分能够根据表面位置处的差动输出信号值I(z₀)、Q(z₀)和已知的参数k_eff来近似地求出。在信号处理部523中，从检测信号中减去由(式15)、(式16)给出的表面反射光成分之后实施平方和运算，由此得到图像化信号sig(z)。

sig(z)＝[I(z)-I₀(z)]²+[Q(z)-Q₀(z)]²        式17

图7是使用本实施例的光学测量装置沿着图2所示的z扫描轴取得图像化信号sig(z)的情况下的例子。不同于图3和图4所示的波形，能够清晰地识别与第一界面对应的峰。并且，也不会发生在不存在界面的位置产生峰，或者峰的位置偏移的问题。

即，本实施例中通过生成并检测多束干涉光，从各个干涉光的差动输出信号中减去表面反射光成分，从而能够在考虑了光的干涉效应的前提下抑制表面反射信号的影响。由此，与现有的OCT装置相比能够使测量对象表面附近的结构更清晰地可视化。

接着说明本发明的光学测量装置的空间分辨率。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图像化信号的峰的半高全宽。仅存在单一反射面的情况下的与(式17)对应的信号由下式表示。

$\mathrm{sig}\left(z\right)={\left|E_{\mathrm{ref}}\right|}^2{\left|A_1\right|}^2{\sin }^2(\mathrm{\π}\·\frac{(z-z_0)}{\mathrm{\λ}}N{A}^2)$       式18

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。

$0.886\frac{\mathrm{\λ}}{N{A}^2}$            式19

此处，λ是激光的波长，NA是物镜506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。

在本实施例中，干涉光学系统511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，但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与本实施例同样的效果。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17)表示的信号相同的信号。

上文为了简化针对信号光仅具有离焦像差、参考光无像差的情况说明了本发明的功能。但即使在不满足这些条件的情况下，也能够通过进行基准样品的测量来学习检测信号的特性(behavior，行为)，从而提供同样的效果。以下说明其方法。

即使在存在离焦以外的像差的条件下，I(z₀)、Q(z₀)也能够如下所示地表示为来自多个反射面的反射光成分的叠加。

$I\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{B}_j{h}_I(z-z_j,{\mathrm{\φ}}_j)$       式20

$Q\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{B}_j{h}_Q(z-z_j,{\mathrm{\φ}}_j)$       式21

此处，B_j是表示第j个反射光的强度的常数，φ_j是第j个反射光与参考光的相位差。h_I、h_Q是表示来自单一反射面的响应的点扩散函数，在不存在离焦像差之外的像差的情况下由下式给出。

$h_I(z,\mathrm{\φ})=\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}z\right)}{k_{\mathrm{eff}}z}\cos (k_{\mathrm{eff}}z+\mathrm{\φ})$       式22

$h_Q(z,\mathrm{\φ})=\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}z\right)}{k_{\mathrm{eff}}z}\sin (k_{\mathrm{eff}}z+\mathrm{\φ})$       式23

在存在离焦像差之外的像差的情况下，点扩散函数h_I、h_Q不能够用(式22)、(式23)这样简单的式子表达。于是，本发明中通过测量基准样品，来学习存在像差的情况下的点扩散函数h_I、h_Q的特性。作为基准样品，可以考虑反射镜的反射面或盖玻片的表面等。具体而言，在信号处理部中记录对于所有相位差φ通过物镜的z方向扫描得到的检测信号波形，由此学习点扩散函数。相位差φ的调整例如能够通过使用压电元件移动反射镜510的位置，使参考光的光程变化来进行。通过使用这样得到的点扩散函数h_I、h_Q，表面反射光成分能够用表面反射位置z₀上的差动输出信号值I(z₀)、Q(z₀)如下所示地表达。

$I_0\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{\left(z_0\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(z_0\right)\right\}}^2}{h}_I(z-z_0,\arctan \left(\frac{Q\left(z_0\right)}{I\left(z_0\right)}\right))$       式24

$Q_0\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{\left(z_0\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left(z_0\right)\right\}}^2}{h}_Q(z-z_0,\arctan \left(\frac{Q\left(z_0\right)}{I\left(z_0\right)}\right))$       式25

通过从I(z)、Q(z)中减去上述表面反射信号成分，即使存在像差也能够在考虑了光的干涉效应的前提下抑制表面反射信号的影响，与现有的OCT装置相比使测量对象表面附近的结构更清晰地可视化。

本发明中使用电流差动式光检测器，从差动输出信号I(z)、Q(z)中分别减去了表面反射信号成分，但并不一定必需从差动输出信号中减去该表面反射信号成分。例如，即使使用(不是差动检测式的)通常的光检测器获取4个检测信号，并从4个检测信号中分别减去表面反射信号，也能够得到同样的效果。

(实施例2)

图8是表示本发明的光学测量装置的另一实施方式的示意图。其中，对于与图5所示的部件相同的部件标注相同的标记省略其说明。本实施例相对于第一实施例附加了用于抑制因外部干扰引起的信号光与参考光之间的相位差变动的机构。从波长与来自光源501的激光不同的低相干光源801出射的低相干光，在通过透镜802之后，在使来自光源501的激光透射且使来自光源801的低相干光反射的分色反射镜803上反射，与从光源501出射的激光在同轴上叠加。之后，该低相干光在偏振方向被光轴方向可调整的λ/2波片503旋转之后，由偏振分束器504分束为第二信号光和第二参考光。第二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505，偏振状态从s偏振转换为圆偏振之后，通过数值孔径0.4以上的物镜506而会聚照射到测量对象508上。透镜802被调整为使得此时刚通过物镜506后的第二信号光为大致准直光。从测量对象反射或散射的第二信号光再次从物镜506透射，由λ/4波片506将偏振状态从圆偏振转换为p偏振，接着入射到偏振分束器504。另一方面，第二参考光从λ/4波片509透射，偏振状态从p偏振转换为圆偏振，再通过透镜804入射到安装在压电元件815上的反射镜510上。透镜802被调整为使得此时刚通过物镜506后的第二参考光为大致准直光。此外，反射镜510的光轴方向位置由可动台805调整，使得第二信号光中包括的从测量对象的表面反射的反射光的光程与第二参考光的光程大致相等。在反射镜510上反射的第二参考光，由λ/4波片509将偏振状态从圆偏振转换为s偏振，入射到偏振分束器504。第二信号光和第二参考光由偏振分束器504合束而生成第二合成光。第二合成光在使来自光源501的激光透射且使来自光源801的低相干光反射的分色反射镜806上反射之后，被准直透镜807转换为准直光，接着，由光轴被设定为相对于水平方向成约45度的λ/4波片808将偏振方向旋转45度，在会聚透镜809的作用下会聚，同时经沃拉斯顿棱镜810偏振分离，从而生成相位关系彼此相差180度的2束干涉光。该2束干涉光被电流差动式光检测器811检测，输出与它们的强度的差成比例的差动输出信号812。差动输出信号812被输入到相位控制部813，相位控制部813基于信号812驱动压电元件815。从光源501输出的激光的光路与第一实施方式完全相同，不同之处仅在于信号光的会聚位置的扫描不是通过物镜致动器进行的，而是通过可动样品台816使测量对象位置扫描来进行。

如上所述，由于调整成使得第二参考光的光程与第二信号光中包括的从测量对象的表面反射的反射光的光程大致相等，所以第二信号光中仅来自测量对象表面的反射光成分有选择地与第二参考光干涉，考虑到这一点，差动输出信号812可以近似地如下所示地给出。

FB＝|E_sig2||E_ref2|sin(2k′(z₀-z_ref))           式26

此处，E_sig2、E_ref2分别是在偏振分束器504上合束时的第二信号光和第二参考光的电场复振幅，k'是低相干光的波数。相位控制部813控制压电元件815使得由(式26)给出的差动输出信号812的值始终大致等于0(使得z₀-z_ref＝0)。由于第二信号光和第二参考光从分束到合束的光路，与由光源501出射的激光所生成的信号光和参考光(以下称为第一信号光和第一参考光)从分束到合束的光路完全相同，所以通过上述控制，即使在测量对象的位置因外部干扰而变动的情况下，第一信号光与第一参考光之间的光程差也保持大致一定。由此，在使会聚位置在光轴方向上扫描时(式13)的值几乎不会变动，所以能够高精度地实施通过图6所示的流程进行的减去表面反射光的处理，能够得到更清晰的像。

(实施例3)

图9是表示本发明的光学测量装置中的信号处理方法的另一实施方式的图。本实施例与第一实施例的不同点在于减去多个反射光成分。信号处理方法之外的结构与图5所示的第一实施例相同，所以省略其说明。下面，按照图9说明使用本实施例的光学测量装置测量如图10所示的具有4个界面的结构的情况。

首先，使物镜在z方向上扫描以获取差动输出信号521、522(以下称为I(z)、Q(z))，在图像显示部525上显示它们的平方和信号。然后，用户根据显示的测量结果，选择认为对测量结果造成了不良影响的发生了强反射的部位。作为这样的部位的例子，在样品设置在盖玻片上测量的情况下可以是盖玻片的正面和背面，在样品设置在充满某种溶液的容器内的情况下可以是容器的正面和背面、溶液的液面等。图11是测量图10的结构物时得到的I(z)、Q(z)的平方和信号。根据图示可知，因为来自位于0μm和15μm处的界面的强反射的影响，难以识别5μm和10μm位置的界面的存在。以下说明减去来自0μm位置的界面(表面)和15μm位置的界面(第三界面)的反射光成分的情况。

信号处理部523取得用户所选择的减法对象的界面位置ζ_j和该位置上的检测信号值I(ζ_j)、Q(ζ_j)，计算由下式表示的来自减法对象界面的反射光成分。

$I_j\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{I\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)\right\}}^2+{\left\{Q{\mathrm{\ζ}}_j\right\}}^2}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)+\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)}\right))$    式27 $Q_j\left(z\right)\≈\sqrt{{\left\{I\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)\right\}}^2+{\left\{Q{\mathrm{\ζ}}_j\right\}}^2}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)}\sin (k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j)+\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_j\right)}\right))$    式28

从I(z)、Q(z)中减去这些来自减法对象界面的反射光成分之后，通过实施平方和运算，得到图像化信号sig(z)。

$\mathrm{sig}\left(z\right)={[I\left(z\right)-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{I}_j\left(z\right)]}^2+{[Q\left(z\right)-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{Q}_j\left(z\right)]}^2$            式29

图12是从I(z)、Q(z)分别减去来自表面和第三界面的反射光成分之后实施平方和得到的图像化信号sig(z)。不同于图11所示的结果，能够清晰地识别第一界面和第二界面的存在。

像这样，在本实施例中，即使在存在多个发生强反射光的部位的情况下，也能够通过减去来自该多个界面的反射光成分，以在考虑了光的干涉效应的前提下抑制它们的影响，与现有的OCT装置相比使测量对象的发生强反射的部位附近的结构更清晰地可视化。

(实施例4)

图13是表示本发明的光学测量装置中的信号处理方法的另一实施方式的图。本实施例与第一实施例的不同之处在于，包括使要减去的表面反射光成分优化的过程。信号处理方法之外的结构与图5相同，所以省略其说明。以下，按照图13说明使用本实施例的光学测量装置测量图2所示的结构的情况。

首先，使物镜在z方向上扫描以获取差动输出信号521、522(以下称为I(z)、Q(z))，根据它们的平方和的信号波形获取推测反射位置ζ_j和各反射位置上的检测信号值I(ζ_j)、Q(ζ_j)。此处，推测反射位置指的是推测发生了反射的位置，不一定与实际发生了反射的位置一致。该推测反射位置的获取，例如通过提取存在于比表面反射位置更深处的具有某个阈值以上的值的极大点而进行。

接着，信号处理部523使用上述ζ_i、I(ζ_i)、Q(ζ_i)，计算由下式给出的I(z)、Q(z)的0级拟合函数。

$I_{\mathrm{fit}}^{\left(0\right)}\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(0\right)}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})}\cos \left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})+2k({\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)}-{\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)})\\ +\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)}\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)}\right)}\right)\end{array}\right)$     式30 $Q_{\mathrm{fit}}^{\left(0\right)}\left(z\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(0\right)}\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})}\sin \left(\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)})+2k({\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)}-{\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)})\\ +\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)}\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_0^{\left(0\right)}\right)}\right)\end{array}\right)$     式31

此处，有下式成立。

${\mathrm{\α}}_j^{\left(0\right)}=\sqrt{{\left\{I\left({\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)}\right)\right\}}^2+{\left\{Q\left({\mathrm{\ζ}}_j^{\left(0\right)}\right)\right\}}^2}$            式32

一般而言，0级拟合函数与I(z)、Q(z)并不一致，所以信号处理部523对于0级拟合函数中的α⁽⁰⁾ _j、ζ⁽⁰⁾ _j进行优化，以使以下目标函数最小。

$\mathrm{Error}=\∫[{\{I\left(z\right)-I_{\mathrm{fit}}^{\left(0\right)}\left(z\right)\}}^2+{\{Q\left(z\right)-Q_{\mathrm{fit}}^{\left(0\right)}\left(z\right)\}}^2]\mathrm{dz}$       式33

设(式33)最小时的α⁽⁰⁾ _j、ζ⁽⁰⁾ _j为α_j、ζ_j，则优化后的拟合函数可以表达为下式。

表面反射光成分是(式34)、(式35)中的j＝0的项，由下式给出。 $I_{\mathrm{fit},0}\left(z\right)={\mathrm{\α}}_0\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)}\cos (k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)+\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_0\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_0\right)}\right))$    式36 $Q_{\mathrm{fit},0}\left(z\right)={\mathrm{\α}}_0\frac{\sin \left(k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)\right)}{k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)}\sin (k_{\mathrm{eff}}(z-{\mathrm{\ζ}}_0)+\arctan \left(\frac{Q\left({\mathrm{\ζ}}_0\right)}{I\left({\mathrm{\ζ}}_0\right)}\right))$     式37

在信号处理部523中，从检测信号中减去由(式36)、(式37)给出的表面反射光成分之后，通过实施平方和运算，得到图像化信号sig(z)。

sig(z)＝[I(z)-I_fit，0(z)]²+[Q(z)-Q_fit，0(z)]²      式38

本实施例中，通过对减去的表面反射光成分进行优化，与第一实施例相比能够更高精度地抑制表面反射光的影响，所以能够使测量对象表面附近的结构更清晰地可视化。

附图标记说明

501：光源

502：准直透镜

503、513：λ/2波片

504：偏振分束器

505、509、514：λ/4波片

506：物镜

507：物镜致动器

508：测量对象

510：反射镜

511：干涉光学系统

512：半反射分束器

515、516：会聚透镜

517、518：沃拉斯顿棱镜

519、520：电流差动式光检测器

523：信号处理部

525：图像显示部

801：低相干光源

805：可动台

806：分色反射镜

815：压电元件

816：可动样品台

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；

使所述激光分束为第一信号光和第一参考光的光分束单元；

使所述第一信号光会聚照射在测量对象上的物镜；

使所述第一信号光的会聚位置扫描的会聚位置扫描单元；

使所述第一信号光与所述第一参考光合束，生成相位关系彼此不同的3束以上的干涉光的干涉光学系统；

检测所述3束以上的干涉光，将多个检测信号作为电信号输出的光检测器；和

信号处理部，进行从所述多个检测信号的每个检测信号中，或从使用这些检测信号生成的各个信号中减去来自测量对象的特定部位的反射光成分的减法处理，对该减法处理后的信号实施规定的运算而生成图像化信号。

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：

所述干涉光学系统中生成的干涉光为4束，

所述第一信号光与所述第一参考光的干涉相位彼此相差约90度的整数倍，

所述第一信号光与所述第一参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。

4.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述信号处理部进行以下运算处理：

sig(z)＝[I(z)-I₀(z)]²+[Q(z)-Q₀(z)]²，

其中，sig(z)是图像化信号，I(z)、Q(z)是差动式检测信号，I₀(z)、Q₀(z)是表面反射信号。

5.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述反射光成分使用预先测定的存在像差的情况下的点扩散函数生成。

6.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

还包括出射与所述激光不同波长的光的第二光源、调整所述第一参考光的相位的相位调整单元和控制所述相位调整单元的控制部，

从所述第二光源出射的光被所述光分束单元分束为第二信号光和第二参考光，所述第二信号光和所述第二参考光在分别通过与所述第一信号光和所述第一参考光相同的光路之后被合束，

所述控制部控制所述相位调整单元，使得由所述第二信号光与所述第二参考光合束而生成的干涉光的强度大致一定。

7.如权利要求6所述的光学测量装置，其特征在于：

所述第二光源是低相干光源。

8.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述特定部位存在多个，

所述反射光成分是所述多个部位的反射光成分的总和。

9.如权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：

所述反射光成分使用拟合函数进行了优化。