JP2004053291A - Optical wavelength variance space interference tomographic imaging apparatus - Google Patents

Optical wavelength variance space interference tomographic imaging apparatus Download PDF

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チャン キンプイ
Naohiro Tanno
丹野 直弘
Masahiro Akiba
秋葉 正博
Eriko Umetsu
梅津 枝里子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical wavelength variance space interference tomographic imaging apparatus for freely and finely adjusting the incident angle of light waves to a wavelength variance element with a simple configuration by utilizing the image forming characteristics of a lens and the refraction characteristics of a refraction medium. <P>SOLUTION: The optical wavelength variance space interference tomographic imaging apparatus comprises a beam splitter 4 for dividing convergence light beams into signal light and reference light; a third lens 7 where reflection signal light from a specimen 5 enters through the beam splitter 4; a reflection prism 6 where the reference light enters; a refraction medium 8 that is arranged at the rear of the third lens 7 while the central position of the third lens 7 in which one portion of the reflection light from the reflection prism 6 enters the beam splitter 4 is installed at the middle position between the light axis of the signal light beam and that of the reference light beam; a wavelength variance element 9 that is arranged so that the reference light beam that is refracted by the refraction medium 8 for emission and the signal light beam cross on the surface; and an imaging apparatus 11 for imaging primary diffraction light that is diffracted by the wavelength variance element 9 for emission via an imaging lens 10. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に不均一な構造を持つ媒質に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した光を利用して、その被検体の光画像計測を行う光波長分散空間干渉断層画像化装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光断層画像化技術の中で、広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性(空間領域で短い可干渉距離とも表現する)に着目して、干渉計において、例えば、人体や生体組織のような不均一な構成物質の内部からの反射光波をμmオーダの距離分解能で検出する光コヒーレンス断層画像化法が注目されている〔例えば、丹野直弘、‘光学’、28巻3号、116(1999)参照〕。
【0003】
光コヒーレンス断層画像化法は、例えば、マイケルソン干渉計において低コヒーレンス光源からの光ビームを半透明鏡によって2分割する。一方の光ビームを鏡に照射してその反射光を参照光とし、他方を被測定物体に照射して物体の深層からの後方散乱光を信号光とする。光源の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源のμmオーダのコヒーレント長以内で、かつ参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡の位置を光軸上にスキャン(Z−スキャン)して参照光路長を変化させることで反射光プロファイルを検出することができる。さらに、入射光ビームの横方向走査によって2次元断層画像化を行うことができる。
【0004】
しかし、上記のような2次元断層画像計測方法は、Z−スキャンおよび光ビームの横方向走査を要するため、計測時間の短縮に限界がある。画像計測の更なる高速化のためには、信号光を空間的に並列検出する測定方法が有効と思われる。その方法の1つとして、軸外し干渉計を用いた低コヒーレンス干渉法が挙げられる。
【0005】
図4に示す軸外し干渉計において、平面波の信号光と平面波の参照光がセンサアレイ113の検出面の中心位置Oに対し、それぞれ左側と右側からセンサアレイ113の検出面へ入射するとすると、検出面で検出される光強度は次のように算出される。
【0006】
I(λ,z)=(1/2)Er  2 +(1/2)ES  2 +Er S ×cos〔(2π/λ)(Δl−2zsinθ)〕 …(1)
ここで、ES とEr はそれぞれ信号光と参照光の振幅、λは光の波長、Δlは両光波間の光路長差である。スペクトル広がりをもつ光源の場合、式(1)を光源の波長分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上、光源の波長分布関数を中心λ0 、幅2Δλのtop−hat型とすると、干渉成分は次のように求められる。
【0007】
i(z)=Er S sinc〔(πΔλ/λ0  2 )(Δl−2zsinθ)〕cos〔(2π/λ0 )(Δl−2zsinθ)〕        …(2)
式(2)は、周期λ0 /sinθの正弦関数で変調されたsinc関数を表し、sinc関数のピーク(Δl−2zsinθ=0)が光路長差Δlに対応している。すなわち、被検体内部からの反射光波は検出面において参照光波と局所的に干渉し、検出面の横方向は被検体の深さ方向に対応することになる。
【0008】
しかし、式(2)で表される光干渉測定では、干渉縞の間隔が狭く、それを検出するために高い空間分解能のセンサアレイ113が必要である。また、干渉縞の包絡線の検出は、通常フーリエ変換などのデータ演算処理を要する。このような光検出およびデータ演算処理方法は光断層画像計測への応用にとって大変煩瑣であるといえる。それを克服するために、最近、波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像計測方法が報告されている〔E.Umetsu,K.P.Chan,N.Tanno,“Optical Review”,Vol.9,70(2002)参照〕。
【0009】
図5にその測定原理を示す。
【0010】
図5においては、図4に示す検出面に例えば回折格子111のような波長分散素子(格子常数d)を置き、それぞれ左側と右側から信号光と参照光を入射する。入射角θに対して一次回折光の出射角βは次のように与えられる。
【0011】
sinβ+sinθ=λ/d                 …(3)
そこで、θが次式で与えられるθ0 になるように設置すると、
θ0 =sin−1(λ0 /d)                 …(4)
中心波長成分は角度β=0で出射される一方、それ以外の波長成分は、β=〔(λ−λ0 )/λ0 〕sinθ0 の角度で出射される。このように、光干渉の空間周波数は回折格子111によってゼロに近づくようダウンシフトされる。
【0012】
さらに、図5に示すようにレンズ112を用いて回折格子111からの1次回折光をセンサアレイ(CCDカメラ)113の面上に結像させると、式(2)と同様な分析方法で干渉成分は次のように求められる。
【0013】
i(z)=Er S sinc{πΔλ/λ0  2 〔Δl+(2zsinθ0 )/M〕}cos〔(2π/λ0 )Δl〕              …(5)
ここで、Mは結像の倍率である。式(5)は式(2)で表される空間干渉信号を復調した形であることから、干渉信号の包絡線を直接に検出できることを意味する。また、そのピーク位置を検出することで信号光の反射点の深さを特定することができる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
式(5)で表される波長分散イメージング法を用いた空間干渉法において、入射角がθ=θ0 +Δθに変動すると、中心波長λ0 の一次回折光の出射角はβ=0でなくなり、次のようになる。
【0015】
sinβ=−Δθ√〔1−(λ0 /d)2 〕          …(6)
その結果、検出面における干渉光は再び正弦関数〔周期Λ=Mλ0 /(2sinβ)〕で変調され、次のようになる。
【0016】
i(z)=Er S sinc{πΔλ/λ0  2 〔Δl+(2zsinθ/M)〕}cos{2π/λ0 〔Δl+(2zsinβ/M)〕}    …(7)
例えば、λ0 =800nm、Δλ=30nmのSLD(スーパールミネセントダイオード)低コヒーレンス光源とd=1.67μmの回折格子(600本/mm)を用いた測定では、θ=28.6°でβ=0となるが、Δθ=2°の変動分でβ=−1.8°となる。式(6)から、空間干渉信号は複数の干渉縞を持つことが分かる。
【0017】
上記の説明から明らかなように、例えば回折格子111のような波長分散素子を用いた光コヒーレンス断層画像化測定は、参照光および信号光の回折格子111への入射角θを正確に調節する必要がある。図6に示したような従来の計測装置では、鏡107と鏡110を用いて信号光と参照光の入射角をそれぞれ調節しているため、構成が複雑となり、装置の小型化に難点がある。
【0018】
図6において、101はSLD(スーパールミネセントダイオード)光源、102,103,112はレンズ、104は第1のビームスプリッタBS1、105は第2のビームスプリッタBS2、106は被検体、107,109,110は鏡、108はプリズム、111は回折格子、113はCCDカメラ(センサアレイ)である。
【0019】
本発明は、上記状況に鑑みて、レンズの結像特性と屈折媒質の屈折特性を利用して、波長分散素子への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる光波長分散空間干渉断層画像化装置を提供することを目的とする。
【0020】
【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〕光波長分散空間干渉断層画像化装置において、低コヒーレンス光源と、この光源から出射した光ビームをビーム径の拡大した平行ビームに変換する第1のレンズと、前記平行ビームを収束する第2のレンズと、その収束光ビームを、信号光と参照光に二分するビームスプリッタと、前記信号光が入射する被検体と、この被検体から反射してくる信号光が前記ビームスプリッタを経由して入射する第3のレンズと、前記参照光が入射する反射プリズムと、この反射プリズムからの反射光の一部が前記ビームスプリッタに反射されて入射する前記第3のレンズの中心位置を、前記信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置し、前記第3のレンズを通過した参照光と信号光が第3のレンズの中心位置に対してそれぞれ反対方向から入射する前記第3のレンズの背後に配置される屈折媒体と、この屈折媒体によって屈折して出射する参照光ビームと信号光ビームが面上にて交差するように配置される波長分散素子と、この波長分散素子によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を結像レンズを介して結像させる撮像装置とを具備することを特徴とする。
【0021】
〔2〕上記〔1〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記反射プリズムは横(X軸)走査を可能にすることを特徴とする。
【0022】
〔3〕上記〔1〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記屈折媒体はバイプリズムであることを特徴とする。
【0023】
〔4〕上記〔1〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記波長分散素子は回折格子であることを特徴とする。
【0024】
〔5〕上記〔1〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記撮像装置はCCDカメラであることを特徴とする。
【0025】
〔6〕上記〔1〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記被検体は不均一な構造をもつ媒質であることを特徴とする。
【0026】
【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。
【0027】
図1は本発明の第1実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【0028】
この図において、1は低コヒーレンス光源、2,3,7,10はレンズL1〜L4、4はビームスプリッタBS、5は被検体、6は反射プリズムRP、8はバイプリズムBP(屈折媒体)、9は回折格子(波長分散素子)、11はセンサアレイ(撮像装置)である。
【0029】
図1に示すように、広いスペクトル幅をもつ低コヒーレンス光源1から出射した光ビームは、レンズL1(2)によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームはレンズL2(3)によって収束されて、例えばマイケルソン干渉計へ入射する。干渉計に入射した収束光ビームは、ビームスプリッタBS(4)によって信号光と参照光に二分される。
【0030】
参照光と分かれた信号光は、例えば不均一な構成物質からなる被検体5へ入射し、その被検体5から反射してくる信号光はビームスプリッタBS(4)を経由してレンズL3(7)へ伝搬する。一方、参照光は反射プリズムRP(6)に入射し、その反射光の一部はビームスプリッタBS(4)に反射されてレンズL3(7)へ伝搬する。
【0031】
図1は軸外しの光干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は、次のような機構を光干渉計に備えることにより、従来の軸外しの光干渉計と異なる特徴をもつ空間干渉断層画像化装置を提供する。
【0032】
ここでは、参照光と信号光の両光ビームの光軸間隔を自由に調節できるように反射プリズムRP(6)の横方向(X軸方向)スキャン機構を設けるとともに、レンズL3(7)の中心位置を信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置する。レンズL3(7)を通過した参照光と信号光はレンズL3(7)の中心位置に対してそれぞれ反対側に位置し、例えばバイプリズムBP(8)のような屈折媒体へ入射する。バイプリズムBP(8)によって屈折されて出射する参照光ビームと信号光ビームが回折格子(9)の面上にて交差するように回折格子(9)を配置し、その回折格子(9)によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を、結像レンズL4(10)で、例えばCCD(charge−coupled device)カメラのようなセンサアレイ(11)の面上に結像させる。
【0033】
以下に本発明による光断層画像測定の原理を説明する。
【0034】
図2は、図1に示す軸外し干渉計において、レンズL3(7)の結像性質とバイプリズムBP(8)の屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬の様子を示すものである。
【0035】
レンズL3(7)から見た信号光と参照光は、それぞれ、被検体(5)の表面もしくは内部にある点Sと、反射プリズムRP(6)の内部にある点Rからの球面波と見なすことができる。本発明によれば、点Sと点RはレンズL3(7)の中心軸に対して左右対称の位置にあり、両点間の距離は2rである。また、点Sと点Rは図2に示すようにレンズL3(7)の物体面にあるとすると、レンズL3(7)を透過した信号光と参照光はそれぞれ出射角−αとαをもつ。このαは次式で求められる。
【0036】
α=r/f                         …(8)
ここで、fはレンズL3(7)の焦点距離であり、この式(8)から、αの値はrに比例していることが分かる。従って、図1に示すように、少なくとも反射プリズムRP(6)またはレンズL3(7)の一方を光軸と垂直する方向にスキャンしてrを変化させることにより、αを調節することができる。しかし、αの有効値はレンズの開口数に制限されており、式(4)で与えられるθ0 に近づくことは一般的に困難である。例えば、r=3mm、f=25mmとすると、α=7°と算出される。一方、前出の例のように、λ0 =800nmのSLD光源とd=1.67μmの回折格子(600本/mm)を用いた装置構成では、θ0 =28.6°と算出されている。
【0037】
本発明は、レンズL3(7)の使用だけでは波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像化法で要求される回折格子(9)への光波の入射角を満たすのに不十分であることを熟知した上、レンズL3(7)の背後に例えばバイプリズムBP(8)のような屈折媒質を配置することで、回折格子(9)への光波の入射角を変化させる。
【0038】
図2に示すように、信号光と参照光はそれぞれ入射角−αとαでバイプリズムBP(8)に入射すると、バイプリズムBP(8)によって屈折してそれぞれ角度−βとβで出射する。βは、バイプリズムBP(8)の屈折率をnとし、バイプリズム角をφとすると、次式で求められる。
【0039】
θ=sin−1{nsin〔φ+sin−1(sinα/n)〕}−φ …(9)
例えば、前出α=7°の装置構成では、n=1.5、φ=30°のバイプリズムBP(8)を選定すると、θ=28.6°と算出され、λ0 =800nmとd=1.67μmの光波長分散イメージングでβ=0の計測条件を創出するθ0 に等しいことが分かる。
【0040】
なお、本発明は、式(8)で示されるように、rを変化させることでαを微調することが特徴であることから、式(9)で与えられる角度θの微調も可能であることが明白である。従って、式(6)で表されるβ≠0の計測条件を創出して式(7)で表される空間干渉縞を発生させることも容易である。β<θであることから、その周期は式(2)で表される従来の測定で観察される干渉縞の周期より長くなり、干渉縞を検出するための空間分解能に対する要求度が低くなる利点がある。このように空間周波数がダウンシフトした干渉縞の包絡線検出は、例えばフーリエ変換などの従来方法を用いて行うことができる。
(実施例)
図3は本発明による図1の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のSLDを用いた実施例を示す図面である。
【0041】
低コヒーレンス光源の可干渉距離Lcは光源の波長広がりΔλに逆比例してLc≒λ2 /Δλと表すことができる。市販されている近赤外域SLDの場合、Lc≒50μm、また発光ダイオード(LED)の場合、Lc≒10μm程度である。
【0042】
さらに、図3の実施例はレンズL2(23)及びレンズL3(27)に円柱レンズを用いることにより、下記のような2次元光断層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【0043】
SLD光源21からの出力光はレンズL1(22)によって平行ビームに変換され、円柱レンズL2(23)に入射する。円柱レンズL2(23)は光波を一方向だけに収束するので、干渉計に入射する光ビームは光伝搬方向と垂直する横方向(y−)上に線状に絞られる。このような線状に絞られた入射光はビームスプリッタBS(24)によって信号光と参照光に分割され、それぞれ被検体(25)と反射プリズムRP(26)に伝搬する。
【0044】
被検体(25)から反射してくる信号光の一部はビームスプリッタBS(24)を透過し、円柱レンズL3(27)によって集光される。一方、反射プリズムRP(26)から反射してくる参照光の一部はビームスプリッタBS(24)によって90°反射された後、円柱レンズL3(27)によって集光される。集光された信号光及び参照光は円柱レンズL3(27)の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、バイプリズムBP(28)を介して回折格子(29)へ伝送される。
【0045】
回折格子(29)から出射する1次回折光は焦点距離それぞれf1 とf2 のレンズL4,L5(31,33)によって、例えばCCDカメラのような2次元センサアレイ(34)にて検出面上に結像される。CCDカメラ(34)のz−方向上で検出される光干渉信号は本発明による測定原理から被検体(25)の深さ情報に対応していることが明白である。
【0046】
一方、CCDカメラ(34)のy−方向は信号光の横方向(y−)に位置対応している。従って、本実施例は被検体(25)への入射光を線状に絞り、また干渉光を2次元センサアレイ(34)で検出することにより、被検体(25)に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。
【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、光波長分散空間干渉断層画像化装置において、レンズの結像特性と屈折媒質(バイプリズム)の屈折特性を利用して、波長分散素子(回折格子)への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる。
【0049】
これより、空間周波数が必ずしもゼロであることを必要としない空間干渉断層画像化装置が実現される。なお、入射角の微調は反射プリズムの横方向スキャンで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【図2】図1に示す軸外し干渉計において、レンズL3の結像性質とバイプリズムBPの屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬様子を示す図である。
【図3】本発明による図1の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のSLDを用いた実施例を示す図である。
【図4】従来の軸外し干渉計における信号光波と参照光波のセンサアレイ検出面への入射状態を示す図である。
【図5】波長分散方式を用いた軸外し干渉計における信号光波と参照光波の回折格子への入射状態を示す図である。
【図6】従来の波長分散方式を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の測定原理の説明図である。
【符号の説明】
1  低コヒーレンス光源
2,3,7,10  レンズL1〜L4
4,24  ビームスプリッタBS
5,25  被検体
6,26  反射プリズムRP
8,28  屈折媒体(バイプリズムBP)
9,29  波長分散素子(回折格子)
11  撮像装置(センサアレイ)
21  SLD光源
22  光レンズL1
23  円柱レンズL2
27  円柱レンズL3
31,33  レンズL4,L5
32  開口
34  撮像装置(CCDカメラのような2次元センサアレイ)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a light wavelength dispersion for irradiating an object, particularly a medium having a non-uniform structure, with a light beam and using the light reflected from the surface or inside of the object to perform optical image measurement of the object. The present invention relates to a spatial coherence tomographic imaging apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, among optical tomographic imaging techniques, attention has been paid to the low coherence in the time domain of a light source having a wide spectral width (also expressed as a short coherence length in a spatial domain). An optical coherence tomographic imaging method for detecting a reflected light wave from the inside of a non-uniform constituent material such as a living tissue with a distance resolution of the order of μm has attracted attention [for example, Naohiro Tanno, 'Optics', Vol. , 116 (1999)].
[0003]
In optical coherence tomography, for example, a Michelson interferometer divides a light beam from a low coherence light source into two using a translucent mirror. One light beam is applied to a mirror and its reflected light is used as reference light, and the other is applied to an object to be measured, and backscattered light from a deep layer of the object is used as signal light. Due to the low coherence property of the light source, the optical path length difference between the signal light and the reference light is within the coherent length of the order of μm of the light source, and the component having a phase correlation with the reference light wave, that is, only the coherent signal light component is selectively used as the reference light wave. Interfere with each other. Therefore, the reflected light profile can be detected by scanning the mirror position on the optical axis (Z-scan) and changing the reference optical path length. Further, two-dimensional tomographic imaging can be performed by scanning the incident light beam in the lateral direction.
[0004]
However, the two-dimensional tomographic image measurement method as described above requires a Z-scan and a lateral scan of a light beam, and thus has a limitation in reducing the measurement time. In order to further increase the speed of image measurement, a measurement method that spatially detects signal light in parallel seems to be effective. One such method is low coherence interferometry using an off-axis interferometer.
[0005]
In the off-axis interferometer shown in FIG. 4, when the plane wave signal light and the plane wave reference light enter the detection surface of the sensor array 113 from the left and right sides with respect to the center position O of the detection surface of the sensor array 113, respectively, The light intensity detected on the surface is calculated as follows.
[0006]
I (λ, z) = ( 1/2) E r 2 + (1/2) E S 2 + E r E S × cos [(2π / λ) (Δl- 2zsinθ) ] ... (1)
Here, E S and E r is the amplitude of each signal light and reference light, lambda is the wavelength of light, .DELTA.l is the optical path length difference between the two light waves. In the case of a light source having a spectrum spread, Equation (1) may be integrated with respect to the wavelength distribution of the light source. Here, for convenience of calculation, if the wavelength distribution function of the light source is a top-hat type having a center λ 0 and a width 2Δλ, interference The components are determined as follows.
[0007]
i (z) = E r S Sinc [(πΔλ / λ 0 2 ) (Δl-2z sin θ)] cos [(2π / λ 0 ) (Δl-2z sin θ)] (2)
Equation (2) represents a sinc function modulated by a sine function having a period λ 0 / sin θ, and the peak of the sinc function (Δl−2z sin θ = 0) corresponds to the optical path length difference Δl. That is, the reflected light wave from inside the subject locally interferes with the reference light wave on the detection surface, and the lateral direction of the detection surface corresponds to the depth direction of the subject.
[0008]
However, in the optical interference measurement represented by the equation (2), the interval between the interference fringes is narrow, and the sensor array 113 having a high spatial resolution is required to detect the interference fringes. In addition, detection of the envelope of interference fringes usually requires data arithmetic processing such as Fourier transform. It can be said that such a light detection and data arithmetic processing method is very complicated for application to optical tomographic image measurement. To overcome this, an optical coherence tomographic image measurement method using a chromatic dispersion imaging method has recently been reported [E. Umetsu, K .; P. Chan, N .; Tanno, "Optical Review", Vol. 9, 70 (2002)].
[0009]
FIG. 5 shows the measurement principle.
[0010]
5, a wavelength dispersion element (grating constant d) such as a diffraction grating 111 is placed on the detection surface shown in FIG. 4, and signal light and reference light enter from the left and right sides, respectively. The output angle β of the first-order diffracted light with respect to the incident angle θ is given as follows.
[0011]
sinβ + sinθ = λ / d (3)
Therefore, when setting so that θ becomes θ 0 given by the following equation,
θ 0 = sin −10 / d) (4)
The center wavelength component is emitted at an angle β = 0, while the other wavelength components are emitted at an angle β = [(λ−λ 0 ) / λ 0 ] sin θ 0 . Thus, the spatial frequency of the optical interference is down-shifted by the diffraction grating 111 so as to approach zero.
[0012]
Further, as shown in FIG. 5, when the first-order diffracted light from the diffraction grating 111 is imaged on the surface of the sensor array (CCD camera) 113 by using the lens 112, the interference component is obtained by the same analysis method as in the equation (2). Is determined as follows.
[0013]
i (z) = E r S Sinc {πΔλ / λ 0 2 [Δl + (2z sin θ 0 ) / M]} cos [(2π / λ 0 ) Δl] (5)
Here, M is a magnification of imaging. Equation (5) is a form in which the spatial interference signal represented by equation (2) is demodulated, which means that the envelope of the interference signal can be directly detected. Further, by detecting the peak position, the depth of the reflection point of the signal light can be specified.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In the space interferometry using wavelength dispersion imaging method of the formula (5), the incident angle is varied to θ = θ 0 + Δθ, exit angle of the primary diffracted light having a center wavelength lambda 0 is no longer beta = 0, It looks like this:
[0015]
sinβ = −Δθ√ [1- (λ 0 / d) 2 ] (6)
As a result, the interference light on the detection surface is again modulated by a sine function [period Λ = Mλ 0 / (2 sin β)], and becomes as follows.
[0016]
i (z) = E r S Sinc {πΔλ / λ 0 2 [Δl + (2z sin θ / M)] {cos {2π / λ 0 [Δl + (2z sin β / M)]} (7)
For example, in a measurement using an SLD (super luminescent diode) low coherence light source with λ 0 = 800 nm and Δλ = 30 nm and a diffraction grating with d = 1.67 μm (600 lines / mm), β at θ = 28.6 ° = 0, but β = −1.8 ° with a change of Δθ = 2 °. From equation (6), it can be seen that the spatial interference signal has a plurality of interference fringes.
[0017]
As is clear from the above description, for example, in optical coherence tomographic imaging measurement using a wavelength dispersion element such as the diffraction grating 111, it is necessary to accurately adjust the incident angles θ of the reference light and the signal light to the diffraction grating 111. There is. In the conventional measuring apparatus as shown in FIG. 6, since the incident angles of the signal light and the reference light are adjusted using the mirror 107 and the mirror 110, respectively, the configuration becomes complicated and there is a difficulty in miniaturizing the apparatus. .
[0018]
6, 101 is an SLD (super luminescent diode) light source, 102, 103, 112 are lenses, 104 is a first beam splitter BS1, 105 is a second beam splitter BS2, 106 is a subject, 107, 109, 110 is a mirror, 108 is a prism, 111 is a diffraction grating, and 113 is a CCD camera (sensor array).
[0019]
In view of the above circumstances, the present invention can freely and finely adjust the incident angle of a light wave to a wavelength dispersion element with a simple configuration by utilizing the imaging characteristics of a lens and the refraction characteristics of a refraction medium. An object of the present invention is to provide an optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] In a light wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus, a low coherence light source, a first lens that converts a light beam emitted from the light source into a parallel beam having an enlarged beam diameter, and a second lens that converges the parallel beam. Lens, a beam splitter that bisects the convergent light beam into a signal light and a reference light, a subject on which the signal light is incident, and a signal light reflected from the subject passes through the beam splitter. A third lens, the reflecting prism on which the reference light is incident, and a central position of the third lens, on which a part of the reflected light from the reflecting prism is reflected by the beam splitter and incident. It is installed at an intermediate position between the optical axis of the signal light beam and the optical axis of the reference light beam, and the reference light and the signal light that have passed through the third lens are opposite to the center position of the third lens. A refracting medium disposed behind the third lens that is incident from the optical disc, and a wavelength dispersive element that is disposed so that a reference light beam and a signal light beam that are refracted and emitted by the refracting medium intersect on a plane. And an image pickup device for forming an image of the first-order diffracted light of the reference light and the signal light diffracted by the wavelength dispersion element via an imaging lens.
[0021]
[2] The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], wherein the reflecting prism enables horizontal (X-axis) scanning.
[0022]
[3] The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to [1], wherein the refraction medium is a biprism.
[0023]
[4] The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], wherein the wavelength dispersion element is a diffraction grating.
[0024]
[5] The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to [1], wherein the imaging device is a CCD camera.
[0025]
[6] The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to [1], wherein the subject is a medium having a non-uniform structure.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0027]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical coherence tomographic image measurement apparatus according to a first embodiment of the present invention.
[0028]
In this figure, 1 is a low coherence light source, 2, 3, 7, 10 are lenses L1 to L4, 4 is a beam splitter BS, 5 is an object, 6 is a reflection prism RP, 8 is a biprism BP (refraction medium), 9 is a diffraction grating (wavelength dispersion element), and 11 is a sensor array (imaging device).
[0029]
As shown in FIG. 1, a light beam emitted from a low coherence light source 1 having a wide spectral width is converted into a parallel beam having an enlarged beam diameter by a lens L1 (2). The parallel beam is converged by the lens L2 (3) and enters, for example, a Michelson interferometer. The convergent light beam incident on the interferometer is split into signal light and reference light by the beam splitter BS (4).
[0030]
The signal light separated from the reference light enters, for example, the subject 5 made of a non-uniform constituent material, and the signal light reflected from the subject 5 passes through the beam splitter BS (4) and passes through the lens L3 (7). ). On the other hand, the reference light enters the reflection prism RP (6), and a part of the reflected light is reflected by the beam splitter BS (4) and propagates to the lens L3 (7).
[0031]
Although FIG. 1 is configured based on the principle of an off-axis optical interferometer, the present invention provides a different feature from the conventional off-axis optical interferometer by providing the following mechanism in the optical interferometer. And a spatial coherence tomographic imaging apparatus having the same.
[0032]
Here, a horizontal (X-axis direction) scanning mechanism of the reflecting prism RP (6) is provided so that the optical axis interval between the reference light and the signal light can be freely adjusted, and the center of the lens L3 (7) is provided. The position is set at an intermediate position between the optical axis of the signal light beam and the optical axis of the reference light beam. The reference light and the signal light having passed through the lens L3 (7) are located on opposite sides of the center position of the lens L3 (7), and enter a refraction medium such as a biprism BP (8). The diffraction grating (9) is arranged so that the reference light beam and the signal light beam that are refracted and emitted by the biprism BP (8) intersect on the surface of the diffraction grating (9). The first-order diffracted light of the reference light and the signal light that are diffracted and emitted is imaged by the imaging lens L4 (10) on the surface of a sensor array (11) such as a CCD (charge-coupled device) camera.
[0033]
Hereinafter, the principle of the optical tomographic image measurement according to the present invention will be described.
[0034]
FIG. 2 shows how the signal light beam and the reference light beam propagate in the off-axis interferometer shown in FIG. 1 due to the imaging property of the lens L3 (7) and the refraction property of the biprism BP (8). .
[0035]
The signal light and the reference light viewed from the lens L3 (7) are regarded as a spherical wave from a point S on the surface or inside the subject (5) and a point R inside the reflection prism RP (6), respectively. be able to. According to the present invention, the point S and the point R are symmetrical with respect to the center axis of the lens L3 (7), and the distance between the two points is 2r. Assuming that the point S and the point R are on the object plane of the lens L3 (7) as shown in FIG. 2, the signal light and the reference light transmitted through the lens L3 (7) have emission angles -α and α, respectively. . This α is obtained by the following equation.
[0036]
α = r / f (8)
Here, f is the focal length of the lens L3 (7), and from this equation (8), it can be seen that the value of α is proportional to r. Therefore, as shown in FIG. 1, α can be adjusted by scanning at least one of the reflection prism RP (6) and the lens L3 (7) in a direction perpendicular to the optical axis to change r. However, the effective value of α is limited by the numerical aperture of the lens, and it is generally difficult to approach θ 0 given by equation (4). For example, if r = 3 mm and f = 25 mm, α = 7 ° is calculated. On the other hand, as in the above-described example, in an apparatus configuration using an SLD light source with λ 0 = 800 nm and a diffraction grating (600 lines / mm) with d = 1.67 μm, θ 0 = 28.6 ° is calculated. I have.
[0037]
The present invention is well aware that the use of the lens L3 (7) alone is not sufficient to satisfy the angle of incidence of the light wave on the diffraction grating (9) required in the optical coherence tomographic imaging by chromatic dispersion imaging. In addition, by disposing a refraction medium such as a biprism BP (8) behind the lens L3 (7), the incident angle of the light wave to the diffraction grating (9) is changed.
[0038]
As shown in FIG. 2, when the signal light and the reference light enter the biprism BP (8) at incident angles -α and α, respectively, they are refracted by the biprism BP (8) and exit at angles -β and β, respectively. . β is obtained by the following equation, where n is the refractive index of the biprism BP (8) and φ is the biprism angle.
[0039]
θ = sin −1 {nsin [φ + sin −1 (sin α / n)]} − φ (9)
For example, when the biprism BP (8) with n = 1.5 and φ = 30 ° is selected in the device configuration of α = 7 °, θ = 28.6 ° is calculated, and λ 0 = 800 nm and d It can be seen that it is equal to θ 0 that creates a measurement condition of β = 0 in the optical wavelength dispersion imaging of = 1.67 μm.
[0040]
It should be noted that the present invention is characterized in that α is finely adjusted by changing r, as shown in Expression (8), so that the angle θ given by Expression (9) can be finely adjusted. Is obvious. Therefore, it is also easy to create the measurement condition of β ≠ 0 represented by Expression (6) and generate the spatial interference fringe represented by Expression (7). Since β <θ, the period is longer than the period of the interference fringes observed in the conventional measurement represented by Expression (2), and the requirement for the spatial resolution for detecting the interference fringes is reduced. There is. The detection of the envelope of the interference fringe in which the spatial frequency has been downshifted in this manner can be performed using a conventional method such as Fourier transform.
(Example)
FIG. 3 is a view showing an embodiment in which a continuous output SLD is used as the low coherence light source in the optical measurement device of FIG. 1 according to the present invention.
[0041]
The coherence length Lc of the low coherence light source can be expressed as Lc ≒ λ 2 / Δλ in inverse proportion to the wavelength spread Δλ of the light source. In the case of a commercially available near-infrared region SLD, Lc ≒ 50 μm, and in the case of a light emitting diode (LED), Lc ≒ 10 μm.
[0042]
Further, the embodiment of FIG. 3 is characterized in that the following two-dimensional optical tomographic image measurement is enabled by using a cylindrical lens for the lens L2 (23) and the lens L3 (27).
[0043]
Output light from the SLD light source 21 is converted into a parallel beam by the lens L1 (22), and is incident on the cylindrical lens L2 (23). Since the cylindrical lens L2 (23) converges the light wave in only one direction, the light beam incident on the interferometer is narrowed linearly in the horizontal direction (y-) perpendicular to the light propagation direction. The linearly narrowed incident light is split into signal light and reference light by the beam splitter BS (24), and propagates to the subject (25) and the reflecting prism RP (26), respectively.
[0044]
Part of the signal light reflected from the subject (25) passes through the beam splitter BS (24) and is collected by the cylindrical lens L3 (27). On the other hand, a part of the reference light reflected from the reflection prism RP (26) is reflected by the beam splitter BS (24) at 90 °, and then collected by the cylindrical lens L3 (27). The condensed signal light and reference light are converted into a parallel beam by the diverging property of the cylindrical lens L3 (27) in only one direction, and transmitted to the diffraction grating (29) via the biprism BP (28).
[0045]
Lens L4 of the diffraction grating 1-order diffracted light emitted from the (29) the focal length respectively f 1 and f 2, L5 by (31, 33), for example, the detection plane in the two-dimensional sensor array such as a CCD camera (34) Is imaged. It is clear that the light interference signal detected in the z-direction of the CCD camera (34) corresponds to the depth information of the object (25) from the measuring principle according to the invention.
[0046]
On the other hand, the y-direction of the CCD camera (34) corresponds to the position in the horizontal direction (y-) of the signal light. Therefore, in this embodiment, the incident light to the subject (25) is narrowed linearly, and the interference light is detected by the two-dimensional sensor array (34), so that the depth of the subject (25) and the lateral direction are detected. Information can be obtained at the same time.
[0047]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0048]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus, the wavelength dispersion element (bi-prism) is utilized by utilizing the imaging characteristics of the lens and the refraction characteristics of the refraction medium (biprism). The angle of incidence of the light wave on the diffraction grating can be freely and finely adjusted with a simple configuration.
[0049]
This realizes a spatial coherence tomographic imaging apparatus that does not need to have a spatial frequency of zero. The incident angle can be finely adjusted by scanning the reflection prism in the horizontal direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical coherence tomographic image measurement apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a propagation state of a signal light beam and a reference light beam due to an imaging property of a lens L3 and a refraction property of a biprism BP in the off-axis interferometer shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment in which a continuous output SLD is used as a low coherence light source in the optical measurement device of FIG. 1 according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state in which a signal light wave and a reference light wave are incident on a sensor array detection surface in a conventional off-axis interferometer.
FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which a signal light wave and a reference light wave are incident on a diffraction grating in an off-axis interferometer using a wavelength dispersion method.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement principle of a conventional optical coherence tomographic image measurement device using a chromatic dispersion method.
[Explanation of symbols]
1 Low coherence light source 2, 3, 7, 10 Lens L1 to L4
4,24 beam splitter BS
5,25 Subject 6,26 Reflective prism RP
8,28 Refractive medium (biprism BP)
9,29 wavelength dispersion element (diffraction grating)
11 Imaging device (sensor array)
21 SLD light source 22 Optical lens L1
23 cylindrical lens L2
27 cylindrical lens L3
31, 33 Lens L4, L5
32 aperture 34 imaging device (two-dimensional sensor array like CCD camera)

Claims (6)

(a)低コヒーレンス光源と、
(b)該光源から出射した光ビームをビーム径の拡大した平行ビームに変換する第1のレンズと、
(c)前記平行ビームを収束する第2のレンズと、
(d)その収束光ビームを、信号光と参照光に二分するビームスプリッタと、
(e)前記信号光が入射する被検体と、
(f)該被検体から反射してくる信号光が前記ビームスプリッタを経由して入射する第3のレンズと、
(g)前記参照光が入射する反射プリズムと、
(h)該反射プリズムからの反射光の一部が前記ビームスプリッタに反射されて入射する前記第3のレンズの中心位置を、前記信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置し、前記第3のレンズを通過した参照光と信号光が第3のレンズの中心位置に対してそれぞれ反対方向から入射する前記第3のレンズの背後に配置される屈折媒体と、
(i)該屈折媒体によって屈折して出射する参照光ビームと信号光ビームが面上にて交差するように配置される波長分散素子と、
(j)該波長分散素子によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を結像レンズを介して結像させる撮像装置とを具備することを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
(A) a low coherence light source;
(B) a first lens that converts a light beam emitted from the light source into a parallel beam having an enlarged beam diameter;
(C) a second lens that converges the parallel beam;
(D) a beam splitter for bisecting the convergent light beam into signal light and reference light;
(E) a subject on which the signal light is incident;
(F) a third lens into which signal light reflected from the subject enters via the beam splitter;
(G) a reflecting prism on which the reference light is incident;
(H) the center position of the third lens at which a part of the light reflected from the reflection prism is reflected by the beam splitter and enters the beam splitter, and the intermediate position between the optical axis of the signal light beam and the optical axis of the reference light beam. A refraction medium disposed behind the third lens, where the reference light and the signal light passing through the third lens are respectively incident from opposite directions with respect to the center position of the third lens;
(I) a wavelength dispersion element arranged so that a reference light beam and a signal light beam refracted and emitted by the refraction medium intersect on a plane;
(J) an image pickup device for forming an image of a first-order diffracted light of the reference light and the signal light diffracted by the wavelength dispersion element through an imaging lens, and an optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic image. Device.
請求項1記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記反射プリズムは横(X軸)走査を可能にすることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。2. The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the reflection prism enables horizontal (X-axis) scanning. 請求項1記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記屈折媒体はバイプリズムであることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the refraction medium is a biprism. 請求項1記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記波長分散素子は回折格子であることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。2. The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein said wavelength dispersion element is a diffraction grating. 請求項1記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記撮像装置はCCDカメラであることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。2. The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging device is a CCD camera. 請求項1記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記被検体は不均一な構造をもつ媒質であることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。2. The optical wavelength dispersion spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the subject is a medium having a non-uniform structure.
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