JP2006047053A - 光画像計測装置及び光画像計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出感度を向上させて干渉光の信号強度や位相情報を有効に求めることが可能な光画像計測装置を提供する。
【解決手段】 周期的に強度変調された光ビームを出力する広帯域光源２と、光ビームを直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒに分割し、更に信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて干渉光Ｌを生成するハーフミラー６と、参照光Ｒを円偏光に変換する波長板７と、参照光Ｒの周波数をシフトさせる周波数シフタ８及びピエゾ素子９Ａにより移動される参照鏡９と、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とを抽出する偏光ビームスプリッタ１１と、偏光成分Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ検出して検出信号を出力するＣＣＤ２１、２２と、その検出信号に基づいて干渉光Ｌの信号強度及び位相を算出する信号処理部２０とを備え、その算出結果を基に被測定物体Ｏの画像を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に光散乱媒質の被測定物体に光ビームを照射し、その反射光もしくは透過光を用いて被測定物体の表面形態や内部形態を計測し、その画像を形成する光画像計測装置及び光画像計測方法に関する。特に、光ヘテロダイン検出法を利用して被測定物体の表面形態や内部形態を計測し画像を形成する光画像計測装置及び光画像計測方法に関するものである。

近年、レーザ光源等を用いて被測定物体の表面や内部の画像を形成する光画像計測技術が注目を集めている。この光画像計測技術は、従来からのＸ線ＣＴのような人体に対する有害性を持たないことから、特に医療分野における応用の展開が期待されている。

光画像計測技術における代表的な手法の一例として低コヒーレンス干渉法（光コヒーレンス断層画像化法などとも呼ばれる）がある。この手法は、例えばスーパールミネセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ；ＳＬＤ）のように広いスペクトル幅をもつ広帯域光源の低干渉性を利用するもので、被測定物体からの反射光や透過光をμｍオーダーの優れた距離分解能で検出可能とするものである（例えば下記の非特許文献１を参照）。

この低コヒーレンス干渉法を利用した装置の一例として、マイケルソン型の干渉計に基づく従来の光画像計測装置の基本構成を図５に示す。この光画像計測装置１００は、広帯域光源１０１、鏡１０２、ビームスプリッタ１０３及び光検出器１０４を含んで構成されている。被測定物体１０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源１０１からの光ビームは、ビームスプリッタ１０３により、鏡１０２に向かう参照光Ｒと被測定物体１０５に向かう信号光Ｓの２つに分割される。参照光Ｒはビームスプリッタ１０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ１０３の透過光である。

ここで、図５に示すように、信号光Ｓの進行方向にｚ軸を定めるとともに、信号光Ｓの進行方向に対する直交面をｘ−ｙ面として定義する。鏡１０２は、同図中の両側矢印方向（ｚ−スキャン）に変位可能とされている。

参照光Ｒは、鏡１０２に反射される際にそのｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトを受ける。一方、信号光Ｓは、被測定物体１０５に照射されると、その表面及び内部層により反射される。被測定物体は散乱媒質であるので、信号光Ｓの反射光は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。被測定物体１０５を経由した信号光と、鏡１０２を経由し周波数シフトを受けた参照光は、ビームスプリッタ１０３によって重畳されて干渉光を生成する。

低コヒーレンス干渉方法を用いた画像計測では、信号光Ｓと参照光Ｒの光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長（可干渉距離）以内でありかつ参照光Ｒと位相相関のある信号光Ｓの成分のみが参照光Ｒと干渉を生じる。すなわち、信号光Ｓのコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光Ｒと干渉し合う。この原理から、鏡１０２の位置をｚ−スキャンして参照光Ｒの光路長を変化させることにより、被測定物体１０５の内部層の光反射プロフィールが測定される。更に、被測定物体１０５へ照射される信号光Ｓをｘ−ｙ面方向にも走査する。このようなｚ方向及びｘ−ｙ面方向のスキャンを行いながら干渉光を光検出器１０４で検出し、その検出結果として出力される電気信号（ヘテロダイン信号）を解析することによって、被検体１０５の２次元断層画像が取得される（非特許文献１を参照）。

なお、ビームスプリッタ１０３によって重畳される参照光Ｒ及び信号光Ｓの強度をそれぞれＩ_ｒとＩ_ｓとし、両光波の間の周波数差及び位相差をそれぞれｆ_ｉｆ及びΔθとすると、光検出器からは次式に示すようなヘテロダイン信号が出力される（例えば、非特許文献２を参照）。

式（１）の右辺第３項は交流電気信号であり、その周波数ｆ_ｉｆは参照光Ｒと信号光Ｓのうなり（ビート）の周波数に等しい。ヘテロダイン信号の交流成分の周波数ｆ_ｉｆは、ビート周波数などと呼ばれる。また、式（１）の右辺第１項及び第２項はヘテロダイン信号の直流成分であり、干渉光の背景光の信号強度に対応している。

しかしながら、このような従来の低コヒーレンス干渉法で２次元断層画像を取得するためには、被測定物体１０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体１０５の深度方向（ｚ方向）及び断層面方向（ｘ−ｙ面方向）の各部位からの反射光波を順次に検出する必要がある。したがって、被測定物体１０５を計測するためには長時間を要し、また、その計測原理を勘案すると計測時間の短縮を図ることは困難である。

このような問題点に鑑み、計測時間の短縮を図るための光画像計測装置が考案されている。図６は、そのような装置の一例の基本構成が示されている。同図に示す光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３、光検出器としての２次元光センサアレイ２０４、及びレンズ２０６、２０７を含んで構成されている。光源２０１から出射された光ビームは、レンズ２０６、２０７により平行光束にされるとともにそのビーム径が拡大され、ビームスプリッタ２０３によって参照光Ｒと信号光Ｓとに二分される。参照光Ｒには鏡２０２のｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトが付与される。一方、信号光Ｓは、ビーム径が広げられているので、ｘ−ｙ面の広い範囲に亘って被測定物体２０５に入射される。よって、信号光Ｓは、当該入射範囲における被測定物体２０５の表面や内部の情報を含んだ反射光となる。参照光Ｒと信号光Ｓは、ビームスプリッタ２０３により重畳され、２次元光センサアレイ２０４上に並列配置された素子（光センサ）により検出される。したがって、光ビームを走査することなく、被測定物体２０５の２次元断層画像をリアルタイムに取得することが可能となる。

このような非走査型の光画像計測装置としては、非特許文献３に記載のものが知られている。同文献に記載の装置では、２次元光センサアレイから出力される複数のヘテロダイン信号を、並列配置された複数の信号処理系に入力して、各ヘテロダイン信号の振幅と位相を検出するように構成されている。

しかし、このような構成において画像の空間分解能を高めるためにはアレイの素子数を増加させる必要があり、更に、その素子数に対応するチャンネル数を備えた信号処理系を用意しなければならない。したがって、高分解能の画像を必要とする医療や工業等の分野においては実用化する上で難があると思われる。

そこで、本発明者らは、下記の特許文献１において、次のような非走査型の光画像計測装置を提案した。本提案に係る光画像計測装置は、光ビームを出射する光源と、該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、該干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、該二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備している。

この光画像計測装置は、参照光と信号光の干渉光を二分して２台の光センサ（２次元光センサアレイ）で受光するとともに、両センサアレイの前にそれぞれ光遮断装置を配置して干渉光をサンプリングするように構成されている。そして、分割された２つの干渉光のサンプリング周期にπ／２の位相差を設けることにより、干渉光の背景光を構成する信号光と参照光の強度と、干渉光の位相の直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）とを検出するとともに、両センサアレイからの出力に含まれる背景光の強度を両センサアレイの出力から差し引くことにより、干渉光の２つの位相直交成分を算出し、その算出結果を用いて干渉光の振幅を求めるようになっている。

しかし、特許文献１に記載の光画像計測装置では、干渉光を複数の光路に分割し、各光路上に光遮断装置を設け、各光遮断装置を同期させながら各干渉光のサンプリングを行う必要があることから、装置構成や制御が複雑となる上に、コストが増加してしまうおそれがある。また、光遮断装置として液晶シャッタ等の透過型のシャッタを用いると、干渉光の信号損失が大きくなり、干渉光の検出感度の低下が懸念されることから、計測の感度が劣化するおそれがある。

なお、以上のような光画像計測装置の２次元光センサアレイとしてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラなどの市販のイメージセンサが広く用いられている。しかし、現在市販されているＣＣＤカメラは周波数応答特性が低く、数ＫＨzから数ＭＨz程度のヘテロダイン信号のビート周波数に追従できないという問題点が従来から認識されていた。本発明者らによる特許文献１記載の光画像計測装置は、当該問題点を十分に認識した上で、その応答特性の低さを利用して計測を行っている点が特徴的であるといえる。

特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落［０ ０６８］−［００８４］、第１図） 丹野直弘、「光学」、２８巻３号、１１６（１９９９） 吉沢、瀬田編、「光ヘテロダイン技術（改訂版）」、新技術コミ ュニケーションズ（２００３）、ｐ．２ Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、 「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．３０ １７５３、（１９９４）

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、干渉光の検出感度を向上させることで、より精度の良い干渉光の信号強度や位相情報を用いて被測定物体を計測することが可能な光画像計測装置及び光画像計測方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、干渉光をサンプリングするための光遮断装置（シャッタ）を用いないことにより、装置構成や制御形態の簡略化が図られた光画像計測装置及び光画像計測方法を提供することを他の目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力手段と、前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを、前記光ビームの前記強度変調の周波数と略等しい量だけ相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、前記第１及び第２の変換手段により変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記周波数シフト手段により周波数がシフトされ、前記被測定物体と前記参照物体とをそれぞれ経由した前記信号光と前記参照光とを重畳させて第１の干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された第１の干渉光の異なる複数の偏光成分を抽出する抽出手段と、前記抽出された前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する第１の検出手段と、前記検出された前記各偏光成分に基づいて前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相を算出する演算手段と、を備え、前記算出された前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相に基づいて前記被測定物体の画像を形成することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記第１の検出手段は、所定の応答周波数で前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する蓄積型光センサであることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記第１の検出手段は、ＣＣＤカメラであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の光画像計測装置であって、前記光ビームの強度変調の周波数と前記第１の干渉光の周波数との差が前記第１の検出手段の応答周波数よりも十分小さくなるように前記強度変調の周波数が設定されることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記第１の変換手段は、前記光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光板であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記第２の変換手段は、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差を与えて偏光特性を変換する波長板であることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記第１の変換手段は、前記光ビームの偏光特性を、前記光ビームの進行方向に直交するｘｙ平面のｘ軸及びｙ軸に対して４５°の角度方向の直線偏光に変換し、前記第２の変換手段は、前記４５°の角度方向の直線偏光とされた前記信号光又は前記参照光の偏光特性を円偏光に変換する、ことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記抽出手段は、前記第１の干渉光の互いに直交するＰ偏光成分及びＳ偏光成分とを抽出することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記参照物体は、前記参照光の光路に対し直交配置された反射面を有する参照鏡であり、前記分割手段及び前記重畳手段は、前記出力された前記光ビーム、前記信号光及び前記参照光の各光路に対して斜設させたハーフミラーであり、前記被測定物体、前記参照鏡及び前記ハーフミラーは、マイケルソン型の干渉計を形成する、ことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の光画像計測装置であって、前記第１の変換手段は、前記光ビームの進行方向に直交するｘｙ平面のｘ軸及びｙ軸に対して４５°の角度方向に振動する前記光ビームの振動成分を透過させる偏光板であり、前記ハーフミラーは、前記偏光板により直線偏光に変換された前記光ビームを前記信号光と前記参照光とに分割し、前記第２の変換手段は、前記ハーフミラーと前記参照鏡との間に設けられ、前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に前記参照鏡による反射の前後にそれぞれ位相差π／４を与えることにより、前記参照光の偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する１／８波長板である、ことを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の光画像計測装置であって、前記抽出手段は、前記第１の干渉光のＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項１ないし請求項１１にいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路上に設けられた周波数シフタを含むことを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記周波数シフト手段は、前記参照鏡と、前記参照鏡を前記参照光の光路方向に連続的に移動させる駆動手段とを含むことを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路上に設けられた周波数シフタであり、前記参照鏡を前記参照光の光路方向に移動させる駆動手段と、前記光ビーム出力手段による前記光ビームの前記強度変調に同期させて前記参照鏡を段階的に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、を備えている、とを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１３又は請求項１４に記載の光画像計測装置であって、前記駆動手段は、前記参照鏡の前記反射面の背面に設けられたピエゾ素子であることを特徴とする。

また、請求項１６に記載の発明は、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光ビーム出力手段は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記出射されたレーザ光を前記周波数シフト手段を経由する第１のレーザ光と固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記周波数シフトを受けた前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳して第２の干渉光を生成する干渉光学系と、前記生成された第２の干渉光を検出し、前記第２の干渉光と等しい周波数の電気信号を出力する第２の検出手段と、前記出力された電気信号と等しい周波数のパルス信号を生成するパルス生成手段と、前記生成されたパルス信号により駆動されて、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する光源と、を含むことを特徴とする。

また、請求項１７に記載の発明は、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光ビーム出力手段は、前記周波数シフト手段による前記周波数のシフト量と略等しい周波数のパルス信号を生成するパルス生成手段と、前記パルス信号により駆動されパルス状の光ビームを出力する光源とを含むことを特徴とする。

また、請求項１８に記載の発明は、請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光ビーム出力手段は、連続的な光ビームを出射する光源と、前記出射された前記光ビームを周期的に遮断するシャッタ手段とを含むことを特徴とする。

また、請求項１９に記載の発明は、請求項１６ないし請求項１８のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光源は、スーパールミネセントダイオード又は発光ダイオードであることを特徴とする。

また、請求項２０に記載の発明は、請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記光ビームは、低コヒーレント光であることを特徴とする。

また、請求項２１に記載の発明は、請求項１ないし請求項２０のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記重畳手段により生成された前記第１の干渉光の一部を分離する分離手段と、前記分離された前記第１の干渉光の一部を検出する第３の検出手段と、を備え、前記演算手段は、前記第３の検出手段により検出された前記第１の干渉光の一部に基づいて前記第１の干渉光の背景成分の信号強度を算出する、ことを特徴とする。

また、請求項２２に記載の発明は、光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力ステップと、前記出力された光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換ステップと、前記変換された光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割ステップと、前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換ステップと、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを、前記光ビームの前記強度変調の周波数と略等しい量だけ相対的にシフトさせる周波数シフトステップと、前記第１及び第２の変換ステップにより変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記周波数シフトステップにより周波数がシフトされ、前記被測定物体と前記参照物体とをそれぞれ経由した前記信号光と前記参照光とを重畳させて第１の干渉光を生成する重畳ステップと、前記生成された第１の干渉光の異なる複数の偏光成分を抽出する抽出ステップと、前記抽出された前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する検出ステップと、前記検出された前記各偏光成分に基づいて前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相を算出する演算ステップと、を備え、前記算出された前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相に基づいて前記被測定物体の画像を形成することを特徴とする光画像計測方法である。

本発明は、光ビームを周期的に強度変調させて出力し、その光ビームから偏光特性の異なる信号光と参照光とを生成し、それらを重畳して第１の干渉光を生成し、その第１の干渉光から抽出された複数の異なる偏光成分を検出し、その検出結果に基づいて第１の干渉光の信号強度もしくは位相を算出して被測定物体の画像を形成するように構成されているので、従来のように第１の干渉光をサンプリングするための光遮断装置（特に透過型の高速シャッタなど）を設ける必要がない。したがって、光遮断装置による第１の干渉光の強度の減衰がないため、第１の干渉光の検出感度が向上される。それにより、第１の干渉光の信号強度や位相情報を精度良く求めることができ、被測定物体の計測を好適に行うことが可能となる。

また、従来のように、複数の光路に分割された第１の干渉光の各光路毎にシャッタを設けてサンプリングを行う必要がなく、それら複数のシャッタを同期制御する必要もないため、装置構成や制御形態を簡略化できる。

以下、本発明に係る光画像計測装置の好適な実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〈第１の実施形態〉
〔装置構成〕
図１は、本発明の第１の実施形態の光画像計測装置１の概略構成を示している。光画像計測装置１は、例えば医療や工業分野における被測定物体Ｏの断層画像や表面画像の計測に利用可能な装置である。被測定物体Ｏは、例えば医療分野においては人眼等の散乱媒質からなる物体である。

光画像計測装置１は、低コヒーレントな光ビームを出力する広帯域光源２と、この光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームを平行光束とするとともにそのビーム径を拡大するレンズ４、５と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するとともに、それらを重畳して干渉光Ｌを生成するハーフミラー６と、参照光Ｒの偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する波長板７と、参照光Ｒの周波数をシフトさせる周波数シフタ８と、参照光Ｒの進行方向に対して直交する反射面により参照光Ｒを全反射する参照鏡９と、参照鏡９の反射面の背面に設けられたピエゾ素子９Ａとを含んでいる。ここで、ハーフミラー６によって生成される干渉光Ｌは、本発明にいう「第１の干渉光」に相当する。

広帯域光源２は、本発明にいう「光源」に相当し、ＳＬＤやＬＥＤ（発光ダイオード）等により構成される。なお、市販の近赤外域ＳＬＤのコヒーレント長は３０μｍ程度、ＬＥＤの場合には１０μｍ程度である。

図１中に示すｘｙｚ座標系は、広帯域光源２から出力された光ビームの進行方向をｚ軸方向とし、それに直交する光ビームの振動面をｘｙ平面として定義している。ｘ軸方向、ｙ軸方向は、光ビームの電場（電界）成分の振動面、磁場（磁界）成分の振動面に一致するように定義される。

偏光板３は、本発明にいう「第１の変換手段」に相当し、広帯域光源３からの光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光変換素子である。本実施形態における偏光板３は、上記ｘｙ平面のｘ軸（及びｙ軸）に対して４５°をなす角度方向の振動成分を透過させるように構成される。それにより、偏光板３を透過した光ビームは、角度４５°の直線偏光を有する。したがって、当該光ビームのｘ軸方向及びｙ軸方向における偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有している。換言すれば、当該光ビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有する。

ハーフミラー６は、平行光束とされた直線偏光の光ビームを、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓと参照鏡９に向かう参照光Ｒとに分割する、本発明の「分割手段」を構成する。ハーフミラー６は、光ビームの一部（半分）を透過させて信号光Ｓとし、その残りを反射して参照光Ｒとする。

また、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓの一部を反射するとともに参照鏡９を経由した参照光Ｒの一部を透過させることにより、信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて干渉光Ｌを生成する、本発明の「重畳手段」を構成している。

なお、本実施形態においては、反射体としての被測定物体Ｏ及び参照鏡９と、ハーフミラー６とによって形成されるマイケルソン型の干渉計を用いていることから、分割手段と重畳手段とを同一のハーフミラー６（の異なる反射面）により構成している。一方、マッハツェンダー型などの他の干渉計を採用する場合には、分割手段と重畳手段とは、それぞれ別々の光学素子によって構成されていてもよい。また、分割手段及び重畳手段としては、光ビーム（信号光Ｓ、参照光Ｒ）の偏光特性に影響を与えない無偏光型の任意のビームスプリッタが適用される。

波長板７は、本発明の「第２の変換手段」を構成するもので、直線偏光の参照光Ｒの偏光特性を変換する偏光変換素子である。本実施形態における波長板７としては、１／８波長板が用いられる。それにより、参照光Ｒには、波長板７を通過するときに、そのＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差π／４が与えられる。参照光Ｒは、ハーフミラー６から参照鏡９に向かうときと、参照鏡９に反射されてハーフミラー６に再入射するときに、それぞれ当該位相差を与えられるので、結果として位相差π／２が付与される。したがって、４５°の直線偏光を有する参照光Ｒに対して１／４波長板と同様に作用することから、ハーフミラー６に再入射される参照光Ｒは円偏光に変換されることとなる。なお、上述のようにマッハツェンダー型などの他の干渉計を用いる場合には、１／４波長板を適用することができる。

周波数シフタ８は、本発明にいう「周波数シフト手段」を構成し、参照鏡９に反射される前後の参照光Ｒにそれぞれ周波数シフトを与える。この周波数シフタ８は、例えば電気光学変調器や音響光学変調器などにより構成される。なお、後述するように、本発明に係る光画像計測装置として周波数シフタ８を含まない構成を採用することも可能である。その場合、参照鏡９を移動させることによって参照光Ｒの周波数をシフトさせる。

参照鏡９は、本発明の「参照物体」を構成し、参照光Ｒの光路方向に移動されることにより、被測定物体Ｏの様々な深さ（ｚ座標）による信号光Ｓの反射光を抽出する。より具体的に説明すると、広帯域光源２からの光ビームは低コヒーレント光であるから、参照光Ｒとほぼ等距離を経由した信号光Ｓのみが干渉光Ｌの生成に寄与する。つまり、ハーフミラー６に対して参照鏡９とほぼ等距離の被測定物体Ｏのｚ位置からの反射光のみが参照光Ｒと干渉して干渉光Ｌを生成する。したがって、参照鏡９の位置を変化（ｚ−スキャン）させることにより、被測定物体Ｏの様々なｚ座標の領域からの反射光を逐次抽出するようになっている。

また、参照鏡９は、ピエゾ素子９Ａによって参照光Ｒの光路方向に連続的に移動されて参照光Ｒの周波数をシフトさせるように作用する。このような参照鏡９の移動によって付与される周波数シフトをドップラー周波数シフトと呼ぶことがある。このとき、ピエゾ素子９Ａは、本発明にいう「駆動手段」を構成している。また、参照鏡９とピエゾ素子９Ａとは、本発明の「周波数シフト手段」を構成するものである。なお、第２の実施形態にて詳述するが、参照鏡９とピエゾ素子９Ａを周波数シフト用に使用しない構成も採用できる。

本実施形態の光画像計測装置１には、更に、重畳手段としてのハーフミラー６により生成された干渉光Ｌを結像させる結像用レンズ群８と、干渉光Ｌの光路を偏光特性に応じて分割する偏光ビームスプリッタ１１と、分割された干渉光Ｌの各光路上に設けられたＣＣＤ（カメラ）２１、２２と、ＣＣＤ２１、２２のそれぞれによる検出結果を処理する信号処理部２０とを含んでいる。

偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光Ｌの異なる複数の偏光成分を抽出する、本発明にいう「抽出手段」を構成するものである。より具体的には、偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射してＣＣＤ２１に入射させるとともに、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過させてＣＣＤ２２に入射させるように作用する。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２は、互いに等しい振幅（つまり最大強度）を有している。

ＣＣＤ２１、２２は、本発明にいう「第１の検出手段」を構成するもので、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。ＣＣＤ２１は、偏光ビームスプリッタ１１により抽出された干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を検出し、光電変換を行うことにより検出信号を生成し、それを信号処理部２０に出力する。同様に、ＣＣＤ２２は、抽出された干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２を検出し、光電変換を行うことにより検出信号を生成し、それを信号処理部２０に出力する。各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号は前述のヘテロダイン信号である。

信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号に基づいて後述する演算処理を実行する本発明の「演算手段」である。更に、信号処理部２０は、当該演算処理の結果を解析することにより、被測定物体Ｏの２次元断面画像などの各種画像を形成し、図示しないモニタ装置等の表示装置に表示させる処理を行う。このような信号処理部２０は、例えば、所定の演算プログラムを格納したＲＯＭ等の記憶装置と、当該演算プログラムを実行するＣＰＵ等の演算制御装置とを含むコンピュータなどによって構成される。

更に、本実施形態の光画像計測装置１は、参照光Ｒに付与される周波数シフトをモニタして、広帯域光源２からの光ビームを強度変調するための構成として、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及びパルス駆動器３５を備えている。

光源３１は、本発明の「レーザ光源」に相当し、広帯域光源２より長いコヒーレント長を持つレーザ光を発するレーザダイオード等によって構成される。ビームスプリッタ３２は、光源３１からのレーザ光を、周波数シフタ８及び参照鏡９を経由する第１のレーザ光（反射光）と、固定配置された反射鏡（固定鏡）３３を経由する第２のレーザ光（透過光）とに分割するとともに、周波数シフタ８等により周波数シフトを受けた第１のレーザ光と反射鏡３３にて反射された第２のレーザ光とを重畳して干渉光を生成する。ここで、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３及び参照鏡９は、本発明にいう「干渉光学系」を構成し、また、当該干渉光学系により生成される干渉光は、「第２の干渉光」に相当する。

フォトディテクタ３４は、本発明の「第２の検出手段」を構成し、当該干渉光学系により生成された干渉光を検出し、当該干渉光と等しい周波数の電気信号を出力する。パルス駆動器３５は、本発明の「パルス生成手段」を構成し、フォトディテクタ３４から出力された電気信号と等しい周波数のパルス信号を生成し広帯域光源２に出力する。

広帯域光源２は、パルス駆動器３５から出力されたパルス信号により駆動され、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する。このとき、広帯域光源２からの光ビームは、例えば、５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。

なお、広帯域光源２、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及びパルス駆動器３５は、本発明にいう「光ビーム出力手段」を構成している。

〔測定形態〕
続いて、本実施形態の光画像計測装置１により実行される干渉光Ｌの信号強度や位相の空間分布の測定形態、すなわちヘテロダイン信号の信号強度やその位相情報の測定形態について説明する。以下に詳述する信号処理は、図１に示した信号処理部２０によって実行されるものである。

本実施形態の光画像計測装置１は、偏光特性の異なる信号光Ｓと参照光Ｒを形成し、それらの干渉光Ｌをヘテロダイン信号として検出することにより、被測定物体Ｏの表面画像や断層画像を得ることを特徴としている。

まず、光画像計測装置１による測定形態の基本原理を説明する。広帯域光源２から出力された光ビームは、偏光板３により上記ｘ軸に対して４５°をなす角度方向の直線偏光に変換され、レンズ４、５によってビーム径を拡大され、かつ、平行光束とされてハーフミラー６に入射して信号光Ｓと参照光Ｒとに２分される。

信号光Ｓは、散乱媒質からなる被測定物体Ｏに入射し、その表面や様々な深さの断層面にて反射される。被測定物体Ｏからの反射光波の一部はハーフミラー６により反射されて結像用レンズ群１０に伝送される。

一方、参照光Ｒは波長板７を通過して参照鏡９へと伝送される。このとき、参照鏡９は、ピエゾ素子９Ａによって参照光Ｒの光路方向に駆動（ｚ−スキャン）されている。また、参照光Ｒは、周波数シフタ８によって所定量の周波数シフトを受ける。参照鏡９からの反射光波は、参照鏡９のz-スキャンに伴うドップラー周波数シフト、更には周波数シフタ８による周波数シフトを受け、波長板７を通過する。ここで、参照光Ｒの偏光特性は角度４５°の直線偏光であり、波長板７は１／８波長板であることから、波長板７を２回通過した参照光Ｒの偏光特性は円偏光に変換されることとなる。円偏光とされた参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過して結像用レンズ群１０に伝送される。

このとき、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏにて反射された直線偏光の信号光Ｓと、周波数がシフトされ、円偏光に変換された参照光Ｒとを重畳して干渉光Ｌを生成し、この干渉光Ｌが結像用レンズ群１０に伝送されることとなる。干渉光Ｌは、結像用レンズ群１０を経由して偏光ビームスプリッタ１１に伝搬される。

偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射し、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過するように作用する。干渉光ｌのＳ偏光成分Ｌ１はＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２はＣＣＤ２２によって検出される。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１は、信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓとを含んでおり、干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２は、信号光ＳのＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＰ偏光成分Ｅｒｐとを含んでいる。信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓ及びＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓ及びＰ偏光成分Ｅｒｐとは、次式のように表される。

ここで、ｆは広帯域光源２から出力される光ビームの周波数を表し、ｆ_Ｄは周波数シフトを表し、φは信号光Ｓの初期位相を、φ′は参照光Ｒの初期位相をそれぞれ表す。更に、信号光Ｓと参照光Ｒとの初期位相の差をΔφ（＝φ−φ′）と表すこととする。［数２］に示す式（２）〜（５）を参照すると、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは、ＣＣＤ２１、２２により、それぞれ次式のようなヘテロダイン信号ｉ_１、ｉ_２として検出される。

式（６）、（７）を比較すると、各式の第３項の交流信号は、同位相のｃｏｓ関数とｓｉｎ関数であることから９０°の位相差があることが分かる。本発明は、この特徴を利用するとともに、周期的に強度変調された光ビームを測定光として使用することにより、シャッタによるサンプリング処理を用いない光ヘテロダイン検出を実現可能とし、それにより干渉光Ｌの信号強度および位相の空間分布を測定するものである。従来の光画像計測技術においては、単一の干渉光を位相の異なる複数の関数でサンプリングすることによりそのｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とを検出していたが、本発明においては、参照光Ｒや信号光Ｓの偏光特性を変換して位相の異なる複数（ここでは２つ）の干渉光を生成し、それらを別々に検出するように構成されている点が特徴的である。以下に、本発明における測定原理を説明する。

本実施形態では、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及びパルス駆動器３５を用いて、広帯域光源２から周期的に強度変調された光ビームを出力する。

光源３１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ３２によって参照鏡９方向の光路（反射光）と固定鏡３３方向の光路（透過光）とに分割される。参照光９方向の光路のレーザ光は、周波数シフタ８と参照鏡９を経由するようになっており、それらによる周波数シフトを受けてビームスプリッタ３２に再入射する。一方、固定鏡３３方向の光路のレーザ光は、固定鏡３３による反射光として（周波数をシフトされることなく）ビームスプリッタ３２に再入射する。両光路を経由したレーザ光は、ビームスプリッタ３３によって重畳され干渉光となってフォトディテクタ３４により検出される。

フォトディテクタ３４により検出される干渉光は、参照光Ｒと同様に、周波数シフタ８に寄る周波数シフトと参照鏡９によるドップラー周波数シフトとを受けるので、参照光Ｒと（ほぼ）同量の周波数シフトを受ける。したがって、当該干渉光は、信号光Ｓと参照光Ｒとからなる干渉光Ｌと（ほぼ）同一のビート周波数を有している。

フォトディテクタ３４は、検出した干渉光に対応する電気信号をパルス駆動器３５に出力する。この電気信号は、式（１）に示すヘテロダイン信号と同様に直流成分と交流成分とを有しており、その交流成分の周波数は上述のように干渉光Ｌのビート周波数とほぼ同じである。パルス駆動器３５は、フォトディテクタ３４からの電気信号を受け、それと同じ周波数を有するパルス信号を広帯域光源２に出力する。広帯域光源２は、パルス駆動器３５からのパルス信号によって駆動されて、当該パルス信号と同じ周波数のパルス状の光ビームを出力する。

このように、本実施形態では、参照光Ｒに付与される周波数シフトのシフト量をモニタし、当該シフト量と（ほぼ）等しい周波数のパルス状の光ビームを用いて被測定物体Ｏの測定を行うようになっている。広帯域光源２からの光ビームは、上述のように、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。なお、当該光ビームのｄｕｔｙ比は５０％に限定されるものではなく、パルス形状は矩形列以外（例えば三角形列や台形列等）でもよい。また、出力強度０と１００とを切り換えて得られるパルス光に代えて、例えば出力強度を５０と１００との間で変調して得られる光ビームを適用することもできる。すなわち、ここで重要なのは、光ビームの強度変調の度合ではなく、その強度変調の周波数が干渉光Ｌのビート周波数とほぼ等しくなるように制御されることである。

次に、図２に示すグラフを参照して、本実施形態の光画像計測装置１における干渉光Ｌの検出態様について説明する。以下、広帯域光源２から出力される光ビームの強度の変調周波数をｆ_ｍとする。また、前述したように、ｆ_Ｄは参照光Ｒに付与される周波数シフト（干渉光Ｌのビート周波数）を表し、光ビームの変調周波数ｆ_ｍは周波数シフトｆ_Ｄと等しいか、それに近い値とされている。

図２（Ａ）は、周波数ｆ_ｍで強度変調されて広帯域光源２から出力される光ビームの時間波形を表す。図２（Ｂ）は、光ビームが連続光であり、よって参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１（ビート周波数ｆ_Ｄ）の時間波形を表す。図２（Ｃ）は、参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す。ここで、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２との位相差は９０°である。

また、図２（Ｄ）は、広帯域光源２からの光ビームが図２（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の時間波形を表す（図２（Ｂ）に対応する）。図２（Ｅ）は、広帯域光源２からの光ビームが図２（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す（図２（Ｃ）に対応する）。図（Ｄ）、（Ｅ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは９０°の位相差を有する。

ＣＣＤ２１は、図２（Ｄ）に示す時間波形のＳ偏光成分Ｌ１を検出する。広帯域光源２からの光ビームは周波数ｆ_ｍ、５０％ｄｕｔｙの矩形列の光パルスであり、その変調周波数ｆ_ｍと干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄとの差δｆ＝｜ｆ_ｍ−ｆ_Ｄ｜が蓄積型光センサであるＣＣＤ２１の応答周波数に比べて十分小さいときには、ＣＣＤ２１から出力されるＳ偏光成分Ｌ１の検出信号は、検出時間内に蓄積された光電荷量に比例するものとなり、次式のように与えられる。（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｌ１１９４（２０００）参照）。

ここで、＜・＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表し、Ｋ_１は偏光ビームスプリッタ１１の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率、ｍ（ｔ）は広帯域光源２の出力を強度変調する関数（矩形のパルスを表す関数）、またβは測定における初期位相値を表す。式（８）から分かるように、ＣＣＤ２１から出力される検出信号には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度に関する項（背景光成分）の他に、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の振幅√（Ｉ_ｓｓＩ_ｒｓ）及び位相２πδｆｔ＋βに関する項が含まれている。

同様に、ＣＣＤ２２は、図２（Ｅ）に示す時間波形のＰ偏光成分Ｌ２を検出し、次式のような検出信号を出力する。

ここで、Ｋ_２は偏光ビームスプリッタ１１の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率を含めた光検出効率である。

次に、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号（８）、（９）に基づく、干渉光Ｌの信号強度の算出処理について説明する。

参照光Ｒは、波長板７により円偏光に変換されているので、そのＳ偏光成分Ｅｒｓの強度Ｉ_ｒｓとＰ偏光成分Ｅｒｐの強度Ｉ_ｒｐとは等しいと考えられる（Ｉ_ｒｓ＝Ｉ_ｒｐ＝Ｉ_ｒと示す）。

一方、信号光Ｓについて、被測定物体Ｏからの反射光は入射光の偏光特性に顕著に依存しないと考えられることから、そのＳ偏光成分Ｅｓｓの強度Ｉ_ｓｓとＰ偏光成分Ｅｓｐの強度Ｉ_ｓｐとは等しいか、あるいは近い値であると考えられる（Ｉ_ｓｓ＝Ｉ_ｓｐ＝Ｉ_ｓと示す）。また、信号光Ｓは被測定物体Ｏによって散乱、吸収されることから、その強度は一般的に参照光Ｒより十分に小さい（Ｉ_ｓ＜＜Ｉ_ｒ）と考えることができる。

また、式（８）及び式（９）の右辺の第１項と第２項は背景光の強度を表し、その値は、事前に若しくは別途に測定することができる。例えば、広帯域光源２により連続光からなる光ビームを出力してＣＣＤ２１等により検出し、それを１波長分（あるいはその整数倍）だけ積分して第３項（交流成分；位相直交成分）をキャンセルすることにより、背景光の強度（背景光成分）を取得することができる。

取得された背景光成分を各ＣＣＤ２１、２２からの検出信号の強度から除算することにより、各検出信号の位相直交成分、すなわち、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ_１′（ｔ）、Ｓ_２′（ｔ）が算出される（次式を参照）。

これら式（１０）、（１１）を用いると、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の振幅は次式のように表される。

更に、本実施形態の光画像計測装置１は、次のようにして干渉光Ｌの位相の空間分布を画像化する。

或る測定時間ｔ＝ｔ_１において、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の位相直交成分Ｓ_１′（ｔ１）がＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ_２′（ｔ１）がＣＣＤ２２により検出されたとすると、これら両位相直交成分の比を取ると次のような信号が得られる。

この式（１３）に示す信号Ｓ_３は、干渉光Ｌの振幅に依存せず、位相情報のみから構成されていることが分かる。本実施形態では、複数のピクセルが２次元的に配列された受光面を持つＣＣＤ２１、２２によりＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２を検出しているので、各ピクセルで検出される信号の位相β（ｘ、ｙ、ｔ_１）は、次式のように表される（ここで、（ｘ、ｙ）は、各ピクセルの受光面上における座標を表す）。

この式（１４）の第２項は、ゼロあるいはほぼゼロの周波数δｆ（≒０）を有する交流信号の測定時間ｔ_１における瞬時位相値であるから、ＣＣＤ２１、２２のピクセルの位置、つまり座標ｘ、ｙに依らずに均一であると考えられる。したがって、例えばＣＣＤ２１、２２の受光面上の或る特定点（ｘ＝ｘ_１、ｙ＝ｙ_１）に位置するピクセルで検出される位相φ（ｘ_１、ｙ_１、ｔ_１）を基準に、各ピクセルで検出される検出信号の位相差を求めれば、ヘテロダイン信号の位相差の空間分布、すなわち干渉光Ｌの位相差の空間分布を画像化できる。

他方、干渉光Ｌの位相情報からその周波数情報を取得することも可能である。２つの測定時間ｔ＝ｔ_１及びｔ＝ｔ_２における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相をそれぞれβ（ｘ、ｙ、ｔ_１）及びβ（ｘ、ｙ、ｔ_２）とすると、干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄと、広帯域光源２からの光ビームの変調周波数ｆ_ｍとの差δｆは、次式のように表される。

ここで、光ビームの変調周波数ｆ_ｍは既知であるので、式（１０）や式（１１）からヘテロダイン周波数、つまり干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄを算出できる。このようなヘテロダイン周波数の測定方法は、例えばヘテロダイン干渉法を用いたドップラー速度計測に有効であると考えられる。

〔変形例〕
上記の構成では、参照光Ｒに周波数シフトを付与するための構成として、周波数シフタ８と、参照鏡９及びピエゾ素子９Ａとの双方を考慮したが、これらの内の一方のみを備えていてもよい。例えば、周波数シフタ８を有さない光画像計測装置を形成し、参照鏡９のｚ−スキャンのみによって参照光Ｒに周波数シフトを付与するように構成しても、同様の測定を実行することができる。また、周波数シフタ８を用いる場合、信号光Ｓの光路上に設けるようにしてもよい。本発明に係る画像計測においては、重畳時における信号光Ｓの周波数と参照光Ｒの周波数とが相対的にシフトされていれば十分だからである。

また、上記構成では、広帯域光源２からの光ビームをまず直線偏光とし、それから信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するようになっているが、光ビームの分割後に信号光Ｓと参照光Ｒとをそれぞれ直線偏光に変換するようにしてもよい。ただし、その場合には、信号光Ｓと参照光Ｒの双方の光路上に偏光板を設ける必要があり、上記構成よりも若干複雑な構成となるため、実用上は上記構成の方が好適であると思われる。

また、上記構成では、参照光Ｒの偏光特性を円偏光に変換するようになっているが、信号光Ｓの方を円偏光に変換し、直線偏光のままの参照光と重畳させるようにすることも可能である。しかし、上述のように、信号光Ｓの被測定物体Ｏによる反射光は参照光Ｒと比較して微弱であるので、信号光Ｓの光路上に波長板を配置させると、それを通過するときに信号光Ｓが弱められてしまう。このように被測定物体Ｏの情報を含んだ信号光Ｓの強度を弱めることは測定の感度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、上記構成のように参照光Ｒの偏光特性を変換する方が有利といえる。なお、周波数シフタの配置についても同様である。

また、上記構成では、参照光Ｒの周波数のシフト量をモニタする光源３１、ビームスプリッタ３２、固定鏡３３及びフォトディテクタ３４が設けられ、そのモニタ結果を光ビームの強度変調にフィードバックするようになっているが、例えば参照光Ｒに付与する周波数シフト量が設定されているときなどには、当該シフト量と（ほぼ）等しい周波数のパルス信号を自発的に生成するパルス駆動器３５を設けて光ビームの強度変調を制御するようにしてもよい。

また、パルス駆動器３５による広帯域光源２のパルス駆動に代えて、連続的な光ビーム（連続光）を発する広帯域光源２と、この連続的な光ビームを周期的に遮断するシャッタとを設けることにより、光ビームの強度を周期的に変調させるようにしてもよい。その場合、当該シャッタは本発明の「シャッタ手段」を構成し、広帯域光源２及び当該シャッタは本発明の「光ビーム出力手段」を構成する。このような構成を適用する場合であっても、光ビーム遮断用のシャッタを一つ設けるだけでよいので、同期された複数のシャッタにより複数の干渉光をサンプリングする従来の構成と比較して装置構成、制御形態の双方の面において簡略化を図ることができる。

図３は、干渉光Ｌに含まれる背景光成分の強度を上記の測定と同時に求めるための手段が付加された光画像計測装置１の構成を表す。この光画像計測装置１は、結像用レンズ群１０を経由した干渉光Ｌの一部Ｌ′を分離して取り出すビームスプリッタ１２（分離手段）と、取り出された干渉光Ｌの一部Ｌ′の光路上に配置されたＣＣＤ２３（第３の検出手段）とを更に備えている。ここで、ビームスプリッタ１２の反射率は小さくてよく、その場合には、干渉光Ｌのほとんどがビームスプリッタ１２を透過してＣＣＤ２１、２２による検出に反映される。

ＣＣＤ２３は、例えば、被測定物体Ｏに対する測定の間中干渉光Ｌの一部Ｌ′を検出して電荷を蓄積し続ける。ＣＣＤ２３は、測定の終了とともに検出信号を信号処理部２０に出力する。ＣＣＤ２３は、長時間に亘って電荷の蓄積を行ったために当該検出信号は平均化されている。信号処理部２０は、当該検出信号の時間平均を算出することにより、干渉光Ｌの背景光成分の強度を求める。

また、ＣＣＤ２３による検出時間を広帯域光源２からの光ビームの周期の整数倍の時間に制御し、そのときに取得される検出信号の時間平均を算出することにより背景光成分の強度を求めることもできる。

図３に示すような構成を採用すれば、被測定物体Ｏの測定時に干渉光Ｌの背景光の強度を求めることができるので、背景光強度を求めるための予備的な測定を事前に行う必要がなく便利である。

以上の説明においては、参照鏡９をｚ−スキャンさせながら被測定物体Ｏの様々な深さの断層像を取得する計測態様について説明したが、参照光９の位置を固定して計測を行うことにより、被測定物体Ｏの或る深さにおける静止画像や動画像を精度良く求めることができる。

〔作用効果〕
本実施形態の光画像計測装置１は、以上に説明したように、広帯域光源２からの光ビームを周期的に強度変調し、その光ビームから異なる偏光特性の信号光Ｓと参照光Ｒを生成し、それらを重畳して干渉光Ｌを生成するとともに、この干渉光Ｌの異なる偏光成分（Ｓ偏光成分Ｌ１、Ｐ偏光成分Ｌ２）を抽出し、干渉光Ｌの信号強度や位相情報を算出する。したがって、従来のようなシャッタを用いたサンプリング処理を行う必要がないので、干渉光Ｌを高感度で検出できる。それにより、干渉光の信号強度や位相の空間分布を精度良く求めることができ、被測定物体Ｏの計測を有効に行うことが可能となる。

また、本実施形態の光画像計測装置１は、シャッタを有しておらず、その制御のための構成も備えていないことから、装置構成や制御形態の簡略化を図ることができる。

〈第２の実施形態〉
上述した第１の実施形態では、参照光Ｒの周波数をシフトさせるための構成として、電気光学的、音響光学的な周波数シフトを付与する周波数シフタ８と、ドップラー周波数シフトを付与する参照鏡９及びピエゾ素子９Ａとを用いていた。一方、本実施形態においては、周波数シフタ８のみによって周波数シフトを行い、参照鏡９及びピエゾ素子９Ａは、参照光Ｒにドップラー周波数シフトを付与する目的ではなく、被測定物体Ｏの深さ方向のスキャン（ｚ−スキャン）に使用される。

図４は、第２の実施形態の光画像計測装置１′の概略構成を表している。光画像計測装置１′は、第１の実施形態とほぼ同様に構成されているが、周波数シフタ８による周波数のシフト量を検出してパルス駆動器３５とピエゾ素子９Ａに制御信号を送信する制御部１１０を備えている。この制御部１１０は、本発明の「駆動制御手段」を構成するものである。

制御部１１０は、ＣＰＵ、メモリ、電源回路、パルス信号生成回路等を含んで構成される。制御部１１０は、参照光Ｒに対する周波数のシフト量情報を周波数シフタ８から受けると、当該シフト量情報が表す周波数（Δｆ）のパルス信号を生成してパルス駆動器３５に出力する。パルス駆動器３５は、制御部１１０から出力された周波数Δｆのパルス信号を受けて、周波数Δｆを有する光源駆動用パルス信号を生成する。広帯域光源２は、このパルス信号に駆動されて周波数Δｆのパルス状の光ビームを出力する。

このとき、例えば、制御部１１０からパルス駆動器３５に出力されるパルス信号は、５０％ｄｕｔｙの矩形状のパルスであり、パルス駆動器３５は、このパルス信号と同位相の５０％ｄｕｔｙの矩形状の光源駆動用パルス信号を出力する。したがって、広帯域光源２は、５０％ｄｕｔｙの矩形状の強度変調が施された光ビームを出力する（第１の実施形態と同様である）。

また、制御部１１０は、周波数シフタ８からの上記シフト量情報に基づき、周波数Δｆのパルス状の電源信号をピエゾ素子９Ａへ出力する。この電源信号は、例えば、５０％ｄｕｔｙの矩形状のパルス信号であるが、パルス駆動器３５に出力されるパルス信号とは逆位相の信号として出力される。それにより、ピエゾ素子９Ａは、広帯域光源２から光ビームが出力されるとき（強度が高いとき）には参照鏡９を移動させず、光ビームが出力されないとき（強度が低いとき）に参照鏡９を移動させるように動作する。すなわち、参照鏡９は、参照光Ｒを反射するときには停止してドップラー周波数シフトを与えず、参照光Ｒを反射しないときにその位置を段階的に移動するように制御される。

このような制御を行う光画像計測装置１′によれば、周波数シフタ８のみによって参照光Ｒの周波数をシフトさせる構成においても、シャッタを用いない高感度の検出を行うことができ、干渉光の信号強度や位相の空間分布を有効に求めることができる。

また、参照光Ｒの周波数シフトをモニタする光源３１、ビームスプリッタ３２、固定鏡３３及びフォトディテクタ３４が不要であるので、装置構成が簡略化される。

［その他の変形例］
以上に詳述した構成は、本発明に係る光画像計測装置を実施するための構成の一例に過ぎないものである。したがって、本発明の要旨の範囲内において各種の変形を施すことが可能である。

例えば、図１、３、４に示した構成において、信号光Ｓの光路上、つまりハーフミラー６と被測定物体Ｏとの間に波長板（１／２波長板）を設けることにより、被測定物体Ｏを経由するときの位相の変化に起因する信号光Ｓの偏光方向の傾きを補正することが可能となる。

本発明に係る光画像計測装置の検出手段は、前述のＣＣＤ２１、２２、２３に限定されるものではなく、例えば積算回路を備えたラインセンサなど、干渉光を検出して光電変換する機能と、検出した電荷を蓄積する機能との双方を備えているものであればよく、また１次元のセンサでも２次元のセンサでもよい。

以上の実施形態においては、マイケルソン型の干渉計を備えた光画像計測装置について説明したが、例えばマッハツェンダー型などその他の干渉計を採用することも当然に可能である（例えば、本発明者らによる特許第３２４５１３５号を参照）。

また、干渉計の一部に光ファイバ（バンドル）を設けて導光部材として用いることにより、装置設計上の自由度を高めたり、装置のコンパクト化を図ったり、あるいは、被測定物体の配置の自由度を高めたりすることができる（例えば、上記の特許第３２４５１３５号を参照）。

本発明の光画像計測装置を例えば眼科の分野に応用すると、上述した眼底の血流状態の測定のほか、網膜や角膜の２次元断面像などを得ることができる。それにより、例えば角膜の内皮細胞数などを測定することが可能となる。なお、その他にも各種の応用が可能であることはいうまでもない。

本発明に係る光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る光画像計測装置における干渉光の検出態様を説明するためのグラフ図である。図２（Ａ）は、周波数が強度変調されて広帯域光源から出力される光ビームの時間波形を表す。図２（Ｂ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す。図２（Ｃ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。図２（Ｄ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す図２（Ｅ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。 本発明に係る光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。

符号の説明

１、１′ 光画像計測装置
２ 広帯域光源
３ 偏光板
４、５ レンズ
６ ハーフミラー
７ 波長板
８ 周波数シフタ
９ 参照鏡
９Ａ ピエゾ素子
１０ 結像用レンズ群
１１ 偏光ビームスプリッタ
１２ ビームスプリッタ
２０ 信号処理部
２１、２２、２３ ＣＣＤ
３１ 光源
３２ ビームスプリッタ
３３ 固定鏡
３４ フォトディテクタ
３５ パルス駆動器
１１０ 制御部
Ｒ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ 干渉光
Ｌ′ 干渉光の一部
Ｌ１ Ｓ偏光成分
Ｌ２ Ｐ偏光成分
Ｏ 被測定物体

Claims (22)

1. 光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力手段と、
   前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、
   前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、
   直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、
   前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを、前記光ビームの前記強度変調の周波数と略等しい量だけ相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、
   前記第１及び第２の変換手段により変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記周波数シフト手段により周波数がシフトされ、前記被測定物体と前記参照物体とをそれぞれ経由した前記信号光と前記参照光とを重畳させて第１の干渉光を生成する重畳手段と、
   前記生成された第１の干渉光の異なる複数の偏光成分を抽出する抽出手段と、
   前記抽出された前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する第１の検出手段と、
   前記検出された前記各偏光成分に基づいて前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相を算出する演算手段と、
   を備え、前記算出された前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相に基づいて前記被測定物体の画像を形成することを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記第１の検出手段は、所定の応答周波数で前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する蓄積型光センサであることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
3. 前記第１の検出手段は、ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
4. 前記光ビームの強度変調の周波数と前記第１の干渉光の周波数との差が前記第１の検出手段の応答周波数よりも十分小さくなるように前記強度変調の周波数が設定されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光画像計測装置。
5. 前記第１の変換手段は、前記光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光板であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
6. 前記第２の変換手段は、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差を与えて偏光特性を変換する波長板であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
7. 前記第１の変換手段は、前記光ビームの偏光特性を、前記光ビームの進行方向に直交するｘｙ平面のｘ軸及びｙ軸に対して４５°の角度方向の直線偏光に変換し、
   前記第２の変換手段は、前記４５°の角度方向の直線偏光とされた前記信号光又は前記参照光の偏光特性を円偏光に変換する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
8. 前記抽出手段は、前記第１の干渉光の互いに直交するＰ偏光成分及びＳ偏光成分とを抽出することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
9. 前記参照物体は、前記参照光の光路に対し直交配置された反射面を有する参照鏡であり、
   前記分割手段及び前記重畳手段は、前記出力された前記光ビーム、前記信号光及び前記参照光の各光路に対して斜設させたハーフミラーであり、
   前記被測定物体、前記参照鏡及び前記ハーフミラーは、マイケルソン型の干渉計を形成する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
10. 前記第１の変換手段は、前記光ビームの進行方向に直交するｘｙ平面のｘ軸及びｙ軸に対して４５°の角度方向に振動する前記光ビームの振動成分を透過させる偏光板であり、
    前記ハーフミラーは、前記偏光板により直線偏光に変換された前記光ビームを前記信号光と前記参照光とに分割し、
    前記第２の変換手段は、前記ハーフミラーと前記参照鏡との間に設けられ、前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に前記参照鏡による反射の前後にそれぞれ位相差π／４を与えることにより、前記参照光の偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する１／８波長板である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の光画像計測装置。
11. 前記抽出手段は、前記第１の干渉光のＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１０に記載の光画像計測装置。
12. 前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路上に設けられた周波数シフタを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１１にいずれか一項に記載の光画像計測装置。
13. 前記周波数シフト手段は、前記参照鏡と、前記参照鏡を前記参照光の光路方向に連続的に移動させる駆動手段とを含むことを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
14. 前記周波数シフト手段は、前記参照光の光路上に設けられた周波数シフタであり、
    前記参照鏡を前記参照光の光路方向に移動させる駆動手段と、
    前記光ビーム出力手段による前記光ビームの前記強度変調に同期させて前記参照鏡を段階的に移動させるように前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、を備えている、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
15. 前記駆動手段は、前記参照鏡の前記反射面の背面に設けられたピエゾ素子であることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の光画像計測装置。
16. 前記光ビーム出力手段は、
    レーザ光を出射するレーザ光源と、
    前記出射されたレーザ光を前記周波数シフト手段を経由する第１のレーザ光と固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記周波数シフトを受けた前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳して第２の干渉光を生成する干渉光学系と、
    前記生成された第２の干渉光を検出し、前記第２の干渉光と等しい周波数の電気信号を出力する第２の検出手段と、
    前記出力された電気信号と等しい周波数のパルス信号を生成するパルス生成手段と、
    前記生成されたパルス信号により駆動されて、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する光源と、
    を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
17. 前記光ビーム出力手段は、前記周波数シフト手段による前記周波数のシフト量と略等しい周波数のパルス信号を生成するパルス生成手段と、前記パルス信号により駆動されパルス状の光ビームを出力する光源とを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
18. 前記光ビーム出力手段は、連続的な光ビームを出射する光源と、前記出射された前記光ビームを周期的に遮断するシャッタ手段とを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
19. 前記光源は、スーパールミネセントダイオード又は発光ダイオードであることを特徴とする請求項１６ないし請求項１８のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
20. 前記光ビームは、低コヒーレント光であることを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
21. 前記重畳手段により生成された前記第１の干渉光の一部を分離する分離手段と、
    前記分離された前記第１の干渉光の一部を検出する第３の検出手段と、
    を備え、
    前記演算手段は、前記第３の検出手段により検出された前記第１の干渉光の一部に基づいて前記第１の干渉光の背景成分の信号強度を算出する、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項２０のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
22. 光ビームを周期的に強度変調させて出力する光ビーム出力ステップと、
    前記出力された光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換ステップと、
    前記変換された光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割ステップと、
    前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換ステップと、
    前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを、前記光ビームの前記強度変調の周波数と略等しい量だけ相対的にシフトさせる周波数シフトステップと、
    前記第１及び第２の変換ステップにより変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記周波数シフトステップにより周波数がシフトされ、前記被測定物体と前記参照物体とをそれぞれ経由した前記信号光と前記参照光とを重畳させて第１の干渉光を生成する重畳ステップと、
    前記生成された第１の干渉光の異なる複数の偏光成分を抽出する抽出ステップと、
    前記抽出された前記第１の干渉光の各偏光成分を検出する検出ステップと、
    前記検出された前記各偏光成分に基づいて前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相を算出する演算ステップと、
    を備え、前記算出された前記第１の干渉光の信号強度もしくは位相に基づいて前記被測定物体の画像を形成することを特徴とする光画像計測方法。
    
    

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