JP2002214128A - ヘテロダインビート画像同期測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヘテロダインビート信号に含まれる高次高調
波をも考慮に入れて検討を行い、ヘテロダインビート信
号に、ランダムな位相揺らぎが存在しても、安定にヘテ
ロダインビート画像が測定できるヘテロダインビート画
像同期測定方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 下記の式の画素上でのヘテロダインビー
ト信号に含まれる高次高調波をも考慮するとともに、信
号光強度Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、
ランダムな位相揺らぎが存在しても、安定にヘテロダイ
ンビート画像を測定することを特徴とするヘテロダイン
ビート画像同期測定方法。 Ｉ_HB（ｔ）＝Ｉ_r ＋Ｉ_S ＋２√（Ｉ_r ・Ｉ_S ）×ｃｏｓ
〔φ（ｔ）＋δ〕 ここで、Ｉ_r は参照光信号、φ（ｔ）は位相変調成分で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダインビー
ト信号にランダムな位相揺らぎが存在しても、ヘテロダ
インビート画像が安定に測定できるヘテロダインビート
画像同期測定方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
以下に示すようなものがあった。

【０００３】図４はかかる従来のヘテロダインビート画
像測定システムの模式図、図５はその検出原理の説明図
である。

【０００４】図４には、反射型マッハ・ツェンダ型干渉
計をベースとした実験光学系が示されており、低コヒー
レンス光源として波長λ＝８１３ｎｍ、波長幅Δλ＝１
６ｎｍのスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）
を用いた。入射光はレンズＬ１を通り、ビームスプリッ
タ（ＢＳ１）にて信号光と参照光に２分される。信号光
と参照光は２つの音響光学素子（ＡＯＭ）にて７９．９
ＭＨｚと７９．９６ＭＨｚにそれぞれ周波数シフトさ
れ、（Δｆ＝４０ｋＨｚ）のビート周波数を得る。被検
体から後方散乱した信号光はＢＳ２において参照光と再
び合波され、２倍の倍率に拡大するレンズペアＬ２，Ｌ
３を通してＣＣＤカメラに撮像する。

【０００５】電荷蓄積型センサであるＣＣＤアレイを光
ヘテロダイン検波に応用するため、光ヘテロダイン検出
法に新たに周波数同期法を導入した。図４の干渉計にお
いて、両ＡＯＭをビート周波数Δｆに等しい周波数の方
形波で駆動して、信号光と参照光をともに周波数Δｆの
パルス列にする。図５に示すように、ＣＣＤの検出面に
おいて光干渉信号の時間波形は、Δｆでサンプリングさ
れている。ＣＣＤ素子の低い応答特性（〜３０Ｈｚ）に
より、各素子は低周波通過フィルタとして機能し、高い
周波数をもつヘテロダイン信号に対応する電荷量を観測
時間内で蓄積して出力する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】２次元の断層画像測定
のために結像干渉光学系を用いる場合、従来のＡＯＭな
どはビーム系が細いために不適切であり、ピエゾ付きハ
ーフミラーなどによる位相変調か、電気光学効果による
非線型結晶を用いた位相変調になる。

【０００７】後者の場合、ビーム幅を考慮すると数ミリ
になり、高い電圧が必要になり、十分高い周波数特性を
有する高電圧電源は容易ではない。

【０００８】また、これより、ヘテロダインビート信号
は高次高調波を含む。また、参照波と信号波との位相揺
らぎは温度などの環境の揺らぎによって容易に発生す
る。これらのことは実用化に対して重要な問題である。

【０００９】このように、上記した従来の周波数同期法
は、ヘテロダインビート信号に高次高調波が含まれると
きには、対応できない。

【００１０】また、ヘテロダインビート信号に位相揺ら
ぎがランダムに含まれるときに対応できないといった問
題があった。

【００１１】本発明は、上記状況に鑑みて、ヘテロダイ
ンビート信号に含まれる高次高調波をも考慮に入れて検
討を行い、ヘテロダインビート信号に、ランダムな位相
揺らぎが存在しても、安定にヘテロダインビート画像が
測定できるヘテロダインビート画像同期測定方法及びそ
の装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕下記の式の画素上でのヘテロダインビート信号に
含まれる高次高調波をも考慮するとともに、信号光強度
Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、ランダム
な位相揺らぎが存在しても、安定にヘテロダインビート
画像を測定することを特徴とするヘテロダインビート画
像同期測定方法。

【００１３】Ｉ_HB（ｔ）＝Ｉ_r ＋Ｉ_S ＋２√（Ｉ_r ・Ｉ
_S ）×ｃｏｓ〔φ（ｔ）＋δ〕 ここで、Ｉ_r は参照光信号、φ（ｔ）は位相変調成分で
ある。

【００１４】〔２〕ヘテロダインビート画像同期測定装
置において、光強度が制御できる光源と、この光源のド
ライバーと、サンプルからの干渉画像を撮像装置面上に
結像する結像干渉光学系と、参照光の位相変調器と、こ
の位相変調器のドライバーと、前記撮像装置のコントロ
ーラと、画像処理とシステム全体の制御を行うコンピュ
ータとを備え、画素上でのヘテロダインビート信号に含
まれる高次高調波をも考慮するとともに、信号光強度Ｉ
_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、ランダムな
位相揺らぎが存在しても、安定にヘテロダインビート画
像を測定することを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００１６】まず、本発明のヘテロダインビート画像同
期測定方法〔ＩＬＭ（ＩｍａｇｅＬｏｃｋ−ｉｎ Ｍｅ
ａｓｕｒｅｍｅｎｔ）〕の原理について説明する。

【００１７】干渉結像光学系において、１画素は通常の
ヘテロダインビート信号と同じ式、 Ｉ_HB（ｔ）＝Ｉ_r ＋Ｉ_S ＋２√（Ｉ_r ・Ｉ_S ）×ｃｏｓ〔φ（ｔ）＋δ〕 …（１） で表わされる。

【００１８】ここで、Ｉｒ：参照光強度、Ｉｓ：信号光
強度、φ（ｔ）：位相変調成分、δ：位相揺らぎ成分で
ある。

【００１９】ここでの最終目的は、信号強度Ｉ_S を位相
揺らぎ成分δに依存しないで求めること、つまり、δを
用いないでＩ_S を表わすことである。標準的な正弦波の
位相変調を仮定して、ベッセル関数を用いると

【００２０】

【数１】

【００２１】のようになる。さらに、３つのタイミング
で照射した画像、つまり、３つの時間領域で時間積分し
た画像を、Ｉ₀ 、Ｉ₁ 、Ｉ₂ とする。すなわち、Ｉ
_HB（ｔ）に対して以下の３つの時間領域で積分したもの
をＩ₀ ，Ｉ₁ ，Ｉ₂とする。

【００２２】 Ｉ： ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝０） II： ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝１） III ：ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝２） …（３） 変調信号に対する全体の時間遅延ｔ₀ で、それぞれの時
間遅延は、０、周期／４、周期／２であり、積分時間は
τである。その結果、画像信号Ｉ₀ ，Ｉ₁ ，Ｉ ₂ はそれ
ぞれ、

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】

【数４】

【００２６】になる。ここで、

【００２７】

【数５】

【００２８】

【数６】

【００２９】のようにＳ₁ 、Ｓ₂ を求める。

【００３０】ここで、ｔ₀ については、ｔ₀ ＝Ｔ／４が
１つのよい条件である。

【００３１】δによらずＩ_S が求められる条件としてＳ
₂ のｓｉｎδの項が０になる必要がある。つまり、ｃｏ
ｓ（２ｎ＋１）ωｔ₀ ＝０である。

【００３２】このとき、 （２ｎ＋１）ωｔ₀ ＝（２ｎ＋１）２πｔ₀ ／Ｔ＝
（ｎ′＋１／２）π （全てのｎに対してｎ′が対応すればよい） ｔ₀ ＝〔（ｎ′＋１／２）Ｔ〕／〔２（２ｎ＋１）〕 ＝〔（２ｎ′＋１）Ｔ〕／〔（２ｎ＋１）４〕 ｔ₀ がｎにならず、ある一定値になるには、ｎ＝ｎ′で
あり、 ∴ｔ₀ ＝Ｔ／４ となればよい。

【００３３】このように、変調信号に対する全体の時間
遅延ｔ₀ は、周期／４が好ましいことが解析的に得られ
る。また、τについても周期／４にすると値が安定する
ことが、図３に示すように、数値計算より明らかとな
る。

【００３４】なお、図３（Ａ）において τ＝ａＴ、ｓｉｎ２ｎπ（τ／Ｔ）＝ｓｉｎ２ｎπａ ｎ＝１，２，３，４，… 偶数のときはｓｉｎ２ｎπａ＝０、奇数のときはｓｉｎ
２ｎπａ≠０である。

【００３５】また、図３（Ｂ）において、 τ＝ａＴ、ｓｉｎ（２ｎ＋１）π（τ／Ｔ） ｎ＝１，２，３，４，…，に対して、 ｓｉｎ（２ｎ＋１）π（τ／Ｔ）＝ｓｉｎ（２ｎ＋１）
πａ≠０ 以上より、ａ＝０．２５又は０．７５〔τ＝（Ｔ／４）
又は（３Ｔ／４）〕のとき値は０とならずに安定に求ま
る。

【００３６】これより、Ｓ₁ ，Ｓ₂ は、

【００３７】

【数７】

【００３８】

【数８】

【００３９】になる。この時、 Ｉ_A ² ＝（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ＝４Ｉ_r Ｉ_S …（７） より、求めるＩ_S は、 ∴Ｉ_S ＝（１／４Ｉ_r ）｛（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ｝ …（８） のように求められる。Ｉ_S は、高次高調波を含んだ解析
にも関らずδを含んでいないので、位相揺らぎに対して
安定であることがわかる。

【００４０】次に、本発明の測定システムについて説明
する。

【００４１】図１は本発明のヘテロダインビート画像同
期測定システムの構成図である。

【００４２】この図に示されるように、断続的なＯＮ、
ＯＦＦが出来る光源１、そのドライバー２、サンプル４
からの干渉画像を撮像デバイス（ＣＣＤカメラ）７面上
に結像する結像干渉光学系３、参照光の位相変調器５、
その位相変調器５のドライバー６、撮像デバイス７のコ
ントローラ８、画像処理とシステム全体制御を行うコン
ピュータ９で構成される。

【００４３】図２は本発明にかかるヘテロダインビート
画像同期測定タイミングチャートである。つまり、図２
（ａ）は全体のシーケンスを示しており、Ｎ周期の画像
データは蓄積・表示・クリアを繰り返す。図２（ｂ）は
そのシーケンスのエレメントの拡大図、図２（ｃ）はシ
ーケンス図であり、Ｅｘｐは照射、Ｓは画像データセー
ブ、Ｃａｌは演算を示している。図２（ｄ）は照射信号
のタイミングチャート、図２（ｅ）は変調信号の波形
図、図２（ｆ）はヘテロダインビート信号の波形図であ
る。

【００４４】このヘテロダインビート信号の計測には、
浜松ホトニクスＣ−４８８０−８０を用い、ビニング
（２×２）３２８（Ｈ）×２４７（Ｖ）、フレームレー
ト５３Ｈｚ（１９ｍｓ）、Ｔ／４＝４．７５ｍｓ、変調
周波数５３Ｈｚ、１フレーム／ｓｅｃとすると５３回の
積算である。

【００４５】変調信号〔図２（ｅ）〕に同期して、照射
信号〔図２（ｄ）〕により光源は断続的にスイッチング
される。最初の照射信号〔図２（ｄ）〕の最初のパルス
の中心は、変調信号〔図２（ｅ）〕より周期／４だけ遅
れており、パルス幅はほぼ周期／４である。Ｅｘｐ１に
より画像Ｉ₀ が得られセーブ（Ｓ１）、Ｅｘｐ２により
画像Ｉ₁ が得られセーブ（Ｓ２）、Ｅｘｐ３により画像
Ｉ₂ が得られ、式（８）に従って演算処理され、セーブ
（Ｓ３）される。この一連の処理を１周期（Ｐ１）とす
る。以後、Ｓ３によって得られた画像をＮ回積算して最
終画像とする。つまり、Ｎ回積算・表示・クリア・Ｎ回
積算・表示・クリアを繰り返す。最終的にＮ回積算を行
った画像を断層画像として出力する。

【００４６】上記したように、位相揺らぎ抑制方法とし
ては、 〔方法１〕もし、Ａ（φ_o ，τ＝Ｔ／４）＝Ｂ（φ_o ，
τ＝Ｔ／４）を満たすφ_o が求まれば、 Ｉ_C ＝√（Ｓ₁ ²＋Ｓ₂ ²）＝Ｉ_A √（Ａ² ＋Ｂ² ） ＝Ｉ_A √２・Ａ又はＩ_A √２・Ｂ ∴Ｉ_S ＝Ｉ_C ² ／８Ａ² Ｉ_r として、Ｉ_S が求まる。 〔方法２〕 Ｉ_A ² ＝（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ＝４Ｉ_r Ｉ_S …（７） ∴Ｉ_S ＝（１／４Ｉ_r ）｛（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ｝ …（８） として、Ｉ_S が求められる。これが１画素でのサンプル
からの後方散乱光強度であり、この処理を全ての画素に
対して行うことにより画像データが得られる。

【００４７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００４８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、高次高調波を考慮した上での、画像全体に有効
な位相揺らぎを抑制する方法を講じたために、大変有効
である。

【００４９】したがって、実時間表示の生体用鉛直断面
画像測定装置が実現され、基礎医学から臨床医学の分野
にわたって、いままでわからなかった様々なことが解明
可能である。よって、医学分野、さらに、半導体や他の
産業分野への波及効果は多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘテロダインビート画像同期測定シス
テムの構成図である。

【図２】本発明にかかるヘテロダインビート画像同期測
定タイミングチャートである。

【図３】変調信号に対する全体の時間遅延の数値結果を
示す図である。

【図４】従来のヘテロダインビート画像測定システムの
模式図である。

【図５】従来のへテロダインビート画像検出原理の説明
図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ ドライバー ３ 結像干渉光学系 ４ サンプル ５ 参照光の位相変調器 ６ 位相変調器のドライバー ７ 撮像デバイス（ＣＣＤカメラ） ８ 撮像デバイスのコントローラ ９ 画像処理とシステム全体制御を行うコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F064 AA09 EE04 FF00 GG22 GG51 HH03 HH08 JJ04 2F065 AA52 BB05 DD04 FF01 FF04 FF52 GG07 JJ26 NN01 NN05 NN08 QQ14 UU01 UU05 2G059 AA03 EE02 EE09 FF02 GG10 JJ22 JJ30 KK04 MM01 MM17 NN01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の式の画素上でのヘテロダインビー
   ト信号に含まれる高次高調波をも考慮するとともに、信
   号光強度Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、
   ランダムな位相揺らぎが存在しても、安定にヘテロダイ
   ンビート画像を測定することを特徴とするヘテロダイン
   ビート画像同期測定方法。 Ｉ_HB（ｔ）＝Ｉ_r ＋Ｉ_S ＋２√（Ｉ_r ・Ｉ_S ）×ｃｏｓ
   〔φ（ｔ）＋δ〕 ここで、Ｉ_r は参照光信号、φ（ｔ）は位相変調成分で
   ある。
2. 【請求項２】（ａ）光強度が制御できる光源と、（ｂ）
   該光源のドライバーと、（ｃ）サンプルからの干渉画像
   を撮像装置面上に結像する結像干渉光学系と、（ｄ）参
   照光の位相変調器と、（ｅ）該位相変調器のドライバー
   と、（ｆ）前記撮像装置のコントローラと、（ｇ）画像
   処理とシステム全体の制御を行うコンピュータとを備
   え、（ｈ）画素上でのヘテロダインビート信号に含まれ
   る高次高調波をも考慮するとともに、信号光強度Ｉ_S を
   位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、ランダムな位相
   揺らぎが存在しても、安定にヘテロダインビート画像を
   測定することを特徴とするヘテロダインビート画像同期
   測定装置。