JP2006105720A - 光画像計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体組織の機能的情報を表現する画像を効率的に形成することが可能な光画像計測装置を提供する。
【解決手段】 波長の異なる光ビームＢ１、Ｂ２（Ｂ）を周期的に強度変調させつつ交互に出力する光ビーム出射部２と、光ビームＢを直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームＢを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するハーフミラー６と、参照光Ｒの偏光特性を変換する波長板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、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、干渉光Ｌの複数の偏光成分を抽出する偏光ビームスプリッタ１１と、抽出された干渉光Ｌの各偏光成分を検出するＣＣＤ２１、２２と、光ビームＢ１、Ｂ２についてＣＣＤ２１、２２によりそれぞれ検出された干渉光Ｌの各偏光成分に基づいて被測定物体Ｏの画像を形成する信号処理部２０とを備える。
【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、特に医療分野での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９に示す。この光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３及び光検出器２０４を含んで構成されている。被測定物体２０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源２０１からの光ビームは、ビームスプリッタ２０３により、鏡２０２に向かう参照光Ｒと被測定物体２０５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２０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ２０３の透過光である。

ここで、図９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２０２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２０２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２０５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２０５を経由した信号光と、鏡２０２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２０３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２０２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２０５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２０５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２０４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２０５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２０３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２０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体２０５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２０５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１０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３００は、広帯域光源３０１、鏡３０２、ビームスプリッタ３０３、光検出器としての２次元光センサアレイ３０４、及びレンズ３０６、３０７を含んで構成されている。光源３０１から出射された光ビームは、レンズ３０６、３０７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３０３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３０２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３０５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３０５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３０３により重畳され、２次元光センサアレイ３０４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３０５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。

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。

ところで、特許文献２、３等に示すように、光画像計測装置は、被測定物体である生体組織の例えば血流内のヘモグロビンの酸素飽和度などの機能的情報の取得にも利用されている。

特許文献２に開示された光画像計測装置（光断層イメージング装置）は、少なくとも２つの異なる波長の光を被検体に照射する照射手段と、前記被検体に照射された光における被検体内部で反射された光をその深さ方向で分離して検出する反射光検出手段と、前記反射光検出手段の出力信号における異なる深さ成分間での演算を行う第１の演算手段と、前記反射光検出手段の出力信号における異なる波長成分間での演算を行う第２の演算手段と、前記第１及び第２の演算手段の出力結果を用いて断層像を構築する画像化手段と、を有している。特に、被検体に照射する光として２つの波長を使用してその反射光強度を求め、更に生体組織の機能的情報となる酸素飽和度等の濃度算出の演算を行い、その濃度の分布像を表示装置に表示させるように構成されている。

また、特許文献３に開示された光画像計測装置（分光学的断層画像測定装置）は、広帯域波長光源と、照射光学系と、空間遅延型フィゾー干渉計と、高速分光器と、画像データ処理用コンピュータとを備え、前記空間遅延型フィゾー干渉計からの断層画像を測定するとともに、前記高速分光器からの散乱光の波長スペクトルも同時に測定するように構成されている。

特許文献２の光画像計測装置は、レンズにより集束されて被測定物体に照射される信号光をその照射方向と直交する方向に（１次元的に）走査するようになっている（同文献明細書段落［００１９］参照）ため、被測定物体の２次元画像や３次元画像を形成するには膨大な走査処理と信号処理を行う必要がある。したがって、本発明者らによる特許文献１に示すような効率的な画像形成を実現することは困難である。

一方、特許文献３の光画像計測装置においても同様に、集束された信号光を走査して被測定物体の画像形成を行っているので、測定の効率化を図ることは難しい。また、当該装置は、フィゾー型の干渉計のみ適用可能であることから、装置設計の自由度が制限されてしまう。

なお、従来のヘモグロビンの酸素飽和度の測定には、特許文献４、５に記載のようなパルスオキシメータが主として用いられていた。このようなパルスオキシメータは、算出された酸素飽和度の値をディスプレイに表示させたりプリンタにより用紙に記録したりするようになっており、酸素飽和度を画像として表示するものではない。

特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落［００６８］−［００８４］、第１図） 特開平６−１６５７８４号公報（請求項、明細書段落［００１９）、［００４８）、第１図］ 特開２００１−２７２３３５号公報（請求項、明細書段落［００２６］、［００２７］、第８図） 特開平４−１５０４６号公報 特開平７−１７１１４０号公報（明細書段落［００２２］） 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、例えばヘモグロビンの酸素飽和度など生体組織の機能的情報を表現する画像を効率的に形成することが可能な光画像計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の異なる波長の光ビームをそれぞれ周期的に強度変調させつつ、切り換え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干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された前記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干渉光の各偏光成分を検出する２次元の検出手段と、前記複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被測定物体の画像を形成する画像形成手段と、を備えることを特徴とする光画像計測装置である。

また、請求項２に記載の発明は、複数の異なる波長の光ビームを切り換えて出力する光ビーム出力手段と、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、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、前記周波数が相対的にシフトされ、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された干渉光の光路を分割する光路分割手段と、前記分割された各光路の前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ変調する強度変調手段と、前記強度変調された前記各光路の前記干渉光をそれぞれ検出する２次元の検出手段と、前記複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被測定物体の画像を形成する画像形成手段と、を備えることを特徴とする光画像計測装置である。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２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により出力される前記光ビームの波長の切り換えは、周期的に行われ、前記検出手段による検出は、所定の時間間隔で行われ、前記光ビームの波長の切り換えの周期と前記検出手段による検出の前記時間間隔とは、互いに同期されている、ことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３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、波長の異なる光ビームを出射する複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれを独立に駆動することにより、前記出力される前記光ビームを切り換える光源駆動手段と、を含んでい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３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、波長の異なる光ビームを出射する複数の光源と、前記複数の光源から出力された複数の前記光ビームを選択的に遮断することにより、前記出力される前記光ビームを切り換える光ビーム遮断手段と、を含んでい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、前記検出手段による検出結果に基づいて前記干渉光の強度もしくは位相を算出する演算手段を備え、前記被測定物体の画像は、前記算出された前記干渉光の強度もしくは位相に基づいて形成される、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、前記被測定物体は生体組織であり、前記少なくとも２つの光ビームは、酸化ヘモグロビンが還元ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する第１の光ビームと、還元ヘモグロビンが酸化ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する第２の光ビームとを含み、前記画像形成手段は、前記第１の光ビームに基づく前記干渉光についての前記検出手段による検出結果と、前記第２の光ビームに基づく前記干渉光についての前記検出手段による検出結果とに基づいて、前記生体組織におけるヘモグロビンの酸素飽和度の分布を表現する画像を形成する、ことを特徴とする。

請求項１に記載の光画像計測装置は、複数の異なる波長の光ビームを周期的に強度変調させつつ、切り換えて出力する光ビーム出力手段と、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、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、直線偏光の信号光又は参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、信号光の周波数と参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、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、周波数シフト手段により周波数がシフトされ、被測定物体と参照物体とをそれぞれ経由した信号光と参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、生成された干渉光の異なる複数の偏光成分を抽出する抽出手段と、抽出された干渉光の各偏光成分を検出する２次元の検出手段と、複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての検出手段による検出結果に基づいて、被測定物体の画像を形成する画像形成手段とを備えて構成されているので、画像形成に用いる光ビームの複数の波長を適宜設定することにより例えばヘモグロビンの酸素飽和度などの機能的情報を表す画像を取得できる。そのとき、２次元の検出手段を用いて有効に干渉光の各偏光成分を検出できることから、信号光を走査させなくても被測定物体の或る深さにおける２次元の画像が一度に取得される。したがって、従来のように２次元の画像を取得するための走査を行う必要がないので、生体組織の機能的情報を表現する画像を効率的に形成することができる。

請求項２に記載の光画像計測装置は、複数の異なる波長の光ビームを切り換えて出力する光ビーム出力手段と、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、信号光の周波数と参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、周波数が相対的にシフトされ、被測定物体を経由した信号光と参照物体を経由した参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、生成された干渉光の光路を分割する光路分割手段と、分割された各光路の干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ変調する強度変調手段と、強度変調された各光路の干渉光をそれぞれ検出する２次元の検出手段と、複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての検出手段による検出結果に基づいて、被測定物体の画像を形成する画像形成手段とを備えて構成されているので、画像形成に用いる光ビームの複数の波長を適宜設定することにより例えばヘモグロビンの酸素飽和度などの機能的情報を表す画像を取得できる。そのとき、２次元の検出手段を用いて有効に干渉光を検出できることから、信号光を走査させなくても被測定物体の或る深さにおける２次元の画像が一度に取得される。したがって、従来のように２次元の画像を取得するための走査を行う必要がないので、生体組織の機能的情報を表現する画像を効率的に形成することができる。

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。以下、光の偏光特性を利用して画像計測を行う第１の実施形態と、シャッタを用いたサンプリングによって画像計測を行う第２の実施形態とについて、それぞれ説明する。光画像計測装置は、例えば医療分野において、生体組織等（被測定物体）の断層画像や表面画像の計測に利用される。

〈第１の実施形態〉
［装置構成］
まず、本発明の第１の実施形態の光画像計測装置の構成について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の光画像計測装置１の（主に）光学系の構成の一例を表している。図２は、光画像計測装置１の光学系における光ビーム出射部２の構成の一例を表している。図３は、光画像計測装置１の制御系の構成の一例を表している。図４は、光画像計測装置１の光ビーム出射部２の駆動信号を生成する処理の一例を説明するためのものである。

〔光学系の構成〕
図１に示すように、光画像計測装置１は、複数の異なる波長の光ビームを周期的に強度変調させつつ切り換えて出力する光ビーム出射部２と、この光ビーム出射部２から出射された光ビームＢの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームＢ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Ｂ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。

光ビーム出射部２は、図２に示すように、低コヒーレントな光ビームを出力する広帯域光源２Ａ、２Ｂを含んでいる。広帯域光源２Ａ、２Ｂから出力される光ビームＢ１、Ｂ２は、互いに異なる波長を有しており、光ビームＢ１、Ｂ２の（中心）波長をそれぞれλ１、λ２とする。

ここで、光ビームＢ１、Ｂ２の波長λ１、λ２は、例えば、酸化ヘモグロビンの吸収特性と還元ヘモグロビンの吸収特性とが交差する８０５ｎｍ付近の前後にそれぞれ設定される（例えば、λ１＜８０５ｎｍかつλ２＞８０５ｎｍ）。すなわち、光ビームＢ１、Ｂ２は、酸化ヘモグロビンが還元ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する本発明の「第１の光ビーム」と、還元ヘモグロビンが酸化ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する本発明の「第２の光ビーム」とされる。その場合、波長λ１、λ２としては、それらの間における酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの吸収特性の差が大きくなるような波長が好ましい。

広帯域光源２Ａ、２Ｂは、本発明にいう「複数の光源」に相当し、それぞれ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。

更に、光ビーム出射部２には、ビームスプリッタ２Ｃと反射鏡２Ｄとが設けられている。ビームスプリッタ２Ｃは、広帯域光源２Ａからの光ビームＢ１の光路上に斜設されたハーフミラー等から構成される。また、反射鏡２Ｄは、広帯域光源２Ｂからの光ビームＢ２の光路上に斜設された全反射鏡から構成される。反射鏡２Ｄにより反射された光ビームＢ２は、ビームスプリッタ２Ｃに入射するようになっている。なお、詳細については後述するが、光ビームＢ１、Ｂ２は交互に出射するように制御されるので、任意の瞬間において光ビーム出射部２から出力される光ビームＢは、光ビームＢ１又は光ビームＢ２のいずれか一方とされる。

図１中に示すｘｙｚ座標系は、光ビーム出射部２から出力された光ビームＢの進行方向をｚ軸方向とし、それに直交する光ビームＢの振動面をｘｙ平面として定義されている。ｘ軸方向、ｙ軸方向は、光ビームＢの電場（電界）成分の振動面、磁場（磁界）成分の振動面にそれぞれ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、光ビーム出射部２からの光ビームＢ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Ｂは、角度４５°の直線偏光を有する。したがって、光ビームＢ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、光ビームＢ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Ｂ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Ｂ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、本発明の「重畳手段」を構成するもので、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を生成するように作用する。

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をそれぞれ別々の光学素子で構成してもよい。また、分割手段及び重畳手段としては、光ビームＢ、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。

また、信号光Ｓの光路（ハーフミラー６と被測定物体Ｏとの間）に、位相補正用の１／２波長板を配置させるようにしてもよい。特に、信号光Ｓの光路上に、偏光軸が４５°の角度方向に配置されるように偏光板を設けることが望ましい。そのようにすれば、被測定物体Ｏを経由するときに信号光Ｓに位相差が生じてその偏光軸が変化し、それにより、後述の干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２との比率に変化が生じた場合であっても、１／２波長板によって信号光Ｓの偏光軸を（特に４５°の角度方向に）回転させることにより、効率よく計測を行うことが可能となる。

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、本発明に係る光画像計測装置としては、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（ｚ−スキャン）させて参照光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、光ビーム出射部２からの光ビームＢ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の位置を移動（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、つまり深さ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の光路方向に移動され、上述のように被測定物体Ｏの深さ方向の走査を行う。なお、参照鏡９を連続的に移動させれば、参照光Ｒの周波数はシフトされる。参照鏡９の移動により付与されるこのような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、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。

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１０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とが設けられている。各ＣＣＤ２１、２２による検出結果は信号処理部２０に送信される。

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「（２次元の）検出手段」を構成するもので、２次元の受光面を有する、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により反射された干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を検出し、光電変換を行って検出信号を生成して信号処理部２０に出力する。同様に、ＣＣＤ２２は、偏光ビームスプリッタ１１を透過した干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２を検出し、光電変換を行って検出信号を生成して信号処理部２０に出力する。各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号は前述した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。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次元や３次元の断層画像などの各種画像を形成し、モニタ装置等の表示装置（図３参照）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。信号処理部２０は、本発明の「画像形成手段」を構成するものである。

更に、光画像計測装置１は、参照光Ｒに対する周波数のシフト量をモニタして、光ビーム出射部２からの光ビームＢを当該モニタ結果に応じて周期的に変調させる構成として、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及び光源駆動部３５を備えている。

光源３１は、光ビーム出射部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（補助干渉光と呼ぶ）を生成する。

フォトディテクタ３４は、この補助干渉光を検出してそのビート周波数に等しい周波数の電気信号を光源駆動部３５に出力する。ここで、補助干渉光のビート周波数は、参照光Ｒに対する周波数シフト量に等しいので、干渉光Ｌのビート周波数と等しくなる。

光源駆動部３５は、本発明の「光源駆動手段」を構成するもので、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、更に、このパルス信号を加工して各広帯域光源２Ａ、２Ｂをそれぞれ独立に駆動する光源駆動信号を形成する処理を行う。

なお、詳細については後述するが、この光源駆動信号は、当該パルス信号の周波数、つまり干渉光Ｌのビート周波数に等しい周波数成分と、ＣＣＤ２１、２２による検出の時間間隔（フレーム間隔、フレームレート）に同期された周波数成分とを含む信号である。前者の周波数成分は、出力される光ビームＢ１、Ｂ２の強度変調の周波数に対応する（強度変調周波数成分と呼ぶ）。また、後者の周波数成分は、光ビームＢ１と光ビームＢ２とを交互に切り換え出力するときの切り換えの周期とＣＣＤ２１、２２による検出の時間間隔とを同期させるため、換言すれば、光ビームＢ１、Ｂ２の切り換え周波数とＣＣＤ２１、２２のフレームレートとを同期させるために用いられる（波長切換周波数成分と呼ぶ）。

光源駆動信号は、各広帯域光源２Ａ、２Ｂに対して出力され、広帯域光源２Ａ、２Ｂにそれぞれ出力される光源駆動信号には、ＣＣＤ２１、２２の検出間隔（フレーム間隔；本発明の「所定の時間間隔」）に基づく位相差が与えられている。

光ビーム出射部２は、光源駆動部３５から出力された駆動信号により駆動され、その波長切換周波数成分に等しい周波数で光ビームＢ１と光ビームＢ２とを交互に切り換えながら、強度変調周波数成分に等しい周波数で各光ビームＢ１、Ｂ２を強度変調させて出力する。

なお、光ビーム出射部２と光源駆動部３５は、本発明にいう「光ビーム出力手段」を構成している。

〔制御系の構成〕
次に、図３及び図４を参照して、光画像計測装置１の制御系について説明する。

光画像計測装置１の制御系は、図３に示すように、広帯域光源２を駆動する光源駆動部３５、信号処理部２０により形成された画像が表示される表示装置３６、及び、装置各部の制御を行う制御部３７を含んで構成される。

（制御部）
制御部３７には、フォトディテクタ３４による検出信号や、信号処理部２０により形成された画像（画像データ）などが入力される。また、制御部３７は、ＣＣＤ２１、２２の検出の時間間隔（すなわち、フレーム間隔あるいはフレームレート）を設定する処理を行う。各ＣＣＤ２１、２２のフレームレートは等しく設定される（例えば３０フレーム／秒など）。また、実質的に同じであるが、フレーム間隔を設定するようにしてもよい（例えば３０ミリ秒／フレームなど）。なお、ＣＣＤ２１、２２のフレームレート（フレーム間隔）が一定である場合には、そのフレームレート（フレーム間隔）の値が制御部３７に保存される（あるいは、制御部３７によりアクセス可能なメモリ等に保存される）。また、制御部３７は、ピエゾ素子９Ａを駆動するピエゾ駆動部（図示省略）を制御して参照鏡９の位置を移動させる。

（光源駆動部）
光源駆動部３５は、制御部３７の制御の下に、広帯域光源２Ａ、２Ｂをそれぞれ独立に駆動するための前述の光源駆動信号を生成する。そのために、光源駆動部３５は、まず、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）のパルス信号（第１のパルス信号）を生成する。この第１のパルス信号は、上述の強度変調周波数成分に相当する。図４（Ａ）に、この第１のパルス信号の概要を示す。

また、光源駆動部３５は、制御部３７によるＣＣＤ２１、２２のフレームレート（あるいはフレーム間隔；以下同様）の設定値情報を基に、当該フレームレートに同期した周波数のパルス信号（第２のパルス信号）を生成する。この第２のパルス信号が上述の波長切換周波数成分に相当する。図４（Ｂ）は、ＣＣＤ２１、２２による検出タイミングを時系列で示しており、そのフレーム間隔をＴ（秒）とする。また、図４（Ｃ）には、第２のパルス信号の一例として、ＣＣＤ２１、２２のフレーム間隔の２倍、すなわちそのフレームレートの２分の１の周波数の信号の概要が示されている。

更に、光源駆動部３５は、第１のパルス信号と第２のパルス信号とを合成した（掛け合わせた）信号を形成する。この合成された信号の概要を図４（Ｄ）に示す。当該信号は、第１のパルス信号の各パルスのうち、第２のパルス信号のパルス部分に対応するもののみが抽出されたものとなっている。この信号は、広帯域光源２Ａを駆動する第１の光源駆動信号として用いられる。

また、光源駆動部３５は、形成された第１の光源駆動信号の位相をＣＣＤ２１、２２のフレーム間隔に対応する量だけシフトさせた信号を生成する（図４（Ｅ）参照）。この信号は、広帯域光源２Ｂを駆動する第２の光源駆動信号として用いられる。

光源駆動部３５は、以上のようにして得られた第１の光源駆動信号と第２の光源駆動信号を、光ビーム出射部２の広帯域光源２Ａ、２Ｂにそれぞれ出力する。

（表示装置）
表示装置３６は、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等のモニタ装置から構成され、制御部３７から出力される画像信号に基づいて画像を表示する。

（信号処理部）
信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２による検出結果に基づいて干渉光Ｌの信号強度や位相を算出する演算部２０Ａ（演算手段）と、この演算部２０Ａによる算出結果に基づいて被測定物体Ｏの断層画像などを形成する画像形成部２０Ｂとを備えている。演算部２０Ａ及び画像形成部２０Ｂが実行する処理については後述する。

［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処理、更には被測定物体Ｏの画像形成処理について説明する。以下に詳述する信号処理は、図１や図３に示した信号処理部２０によって実行されるものである。

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。

〔測定原理〕
まず、光画像計測装置１による測定の基本原理を説明する。光ビーム出射部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かつ円偏光とされた参照光Ｒとを重畳して干渉光Ｌを生成する。この干渉光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は光ビーム出射部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。式（２）〜（５）から分かるように、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは、ＣＣＤ２１、２２によって、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。光画像計測装置１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。

さて、光画像計測装置１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及び光源駆動部３５を用いることで、干渉光Ｌのビート周波数に同期された周波数で強度変調される光ビームを光ビーム出射部２から出力するようになっている。

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）と反射鏡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、反射鏡３３方向の光路のレーザ光は、反射鏡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３２により重畳されて補助干渉光を生成する。補助干渉光はフォトディテクタ３４により検出される。

フォトディテクタ３４により検出される補助干渉光は、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、この補助干渉光は、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、検出した補助干渉光に対応する電気信号を光源駆動部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。

光源駆動部３５は、図４を参照して前述したように、フォトディテクタ３４からの電気信号に基づいて第１の光源駆動信号及び第２の光源駆動信号を生成して光ビーム出射部２に出力する。光ビーム出射部２の広帯域光源２Ａは第１の光源駆動信号により駆動されて、波長λ１のパルス状の光ビームＢ１を出力し、一方、広帯域光源２Ｂは第２の光源駆動信号により駆動されて、波長λ２のパルス状の光ビームＢ２を出力する。

なお、図４（Ｄ）、（Ｅ）に示す第１、２の光源駆動信号の位相差から分かるように、光ビームＢ１と光ビームＢ２とはそれぞれ交互に切り換え出力される。また、その切り換えの周波数は、ＣＣＤ２１、２２のフレームレートに同期（本例では一致）されている。したがって、各ＣＣＤ２１、２２は、光ビームＢ１に基づく干渉光Ｌと、光ビームＢ２に基づく干渉光Ｌとをフレーム毎に交互に検出する。更に、光ビームＢ１、Ｂ２は、干渉光Ｌのビート周波数に同期した周波数で強度変調されている（本例では、出力ＯＮ／ＯＦＦが切り換えられている）。

なお、光ビームＢ１、Ｂ２の出力強度を０と１００との間で変調させる代わりに、例えば出力強度を５０と１００との間で変調してもよい。すなわち、ここで重要なのは、光ビームＢ１、Ｂ２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されていることだからである。

次に、図５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、光ビーム出射部２から出力される光ビームＢ（光ビームＢ１／Ｂ２；図２等参照）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Ｂ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５（Ａ）は、周波数ｆ_ｍで強度変調されて光ビーム出射部２から出力される光ビームＢの時間波形を表す。図５（Ｂ）は、光ビームＢを連続光と仮定した場合、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５（Ｃ）は、参照光Ｒと信号光Ｓとを連続光と仮定した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、Ｓ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２との位相差は任意に設定できるが、図５（Ｂ）、（Ｃ）に示すこの位相差は９０°とされている。

また、図５（Ｄ）は、光ビーム出射部２からの光ビームＢが図５（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５（Ｂ）に対応する）。図５（Ｅ）は、光ビームＢが図５（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５（Ｃ）に対応する）。図５（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５（Ｄ）に示す時間波形のＳ偏光成分Ｌ１を検出する。光ビーム出射部２からの光ビームＢは周波数ｆ_ｍ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の応答周波数に対して十分に小さいときには、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）は光ビーム出射部２の出力を強度変調する関数（光源駆動信号を示す関数）、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の一例について説明する。この算出処理は、信号処理部２０の演算部２０Ａによって実行される。

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については、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、光ビーム出射部２から連続光の光ビームを出力し、そのときの干渉光をＣＣＤ２１等で検出し、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って、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）。

これらの式（１０）、（１１）を用いると、干渉信号（ヘテロダイン信号）の振幅は次式のように表される。

更に、光画像計測装置１は、例えば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、光ビーム出射部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。

〔生体組織の機能的情報の画像化〕
以上のような光画像計測装置１の測定原理をベースとして実行される本発明に係る測定形態、すなわち生体組織の機能的情報を含んだ画像の形成処理について説明する。以下に説明する演算処理は、信号処理部２０の演算部２０Ａによって実行され、その演算結果に基づく画像形成処理は、画像形成部２０Ｂによって実行される。以下、生体組織の機能的情報の一例としてヘモグロビンの酸素飽和度を考慮する。

前述のように、光画像計測装置１は、酸化ヘモグロビンの吸収特性と還元ヘモグロビンの吸収特性とが交差する波長の前後にそれぞれ設定された波長λ１の光ビームＢ１と波長λ２の光ビームＢ２とを、ＣＣＤ２１、２２のフレームレートに同期した周波数で交互に切り換えて出力するようになっている。ここで、光ビームＢ１の波長λ１を、酸化ヘモグロビンがより吸収する波長（例えば８４０ｎｍ）とし、光ビームＢ２の波長λ２を、還元ヘモグロビンがより吸収する波長（例えば７６０ｎｍ）とする。

光ビームＢ１、Ｂ２の最大強度は等しいものとする。そのときに、被測定物体（生体組織）Ｏに入射する信号光Ｓの強度をＩ_ｉｎとする。また、被測定物体Ｏの散乱・吸収係数をσ＝σ（λ）とし、参照光Ｒと干渉する信号光Ｓが被測定物体Ｏ内にて反射された深さ（すなわち、干渉光ｌの生成に関与する信号光Ｓが被測定物体Ｏ内を伝搬した距離の半分）をｌとする。このとき、光ビームＢ１（波長λ１）に基づく信号光Ｓが被測定物体Ｏから出射するときの強度Ｉ_{ｏｕｔ、１}と、光ビームＢ２（波長λ２）に基づく信号光Ｓが被測定物体Ｏから出射するときの強度Ｉ_{ｏｕｔ、２}とは、それぞれ次式により表される。

これらの各式（１６）、（１７）の両辺の対数を取って整理すると次式が導かれる。

更に、これらの式（１８）、（１９）から次の関係が得られる。

この式（２０）の右辺は、酸化ヘモグロビンにより主として吸収される波長λ１に対応する散乱・吸収係数σ（λ１）と、還元ヘモグロビンにより主として吸収される波長λ２に対応する散乱・吸収係数σ（λ２）との差を表している。よって、この差の値はヘモグロビンの酸素飽和度に対応するものである。したがって、式（２０）の値を、干渉光Ｌのビーム断面に亘って求めることにより、つまりＣＣＤ２１、２２の各ピクセルの検出結果について求めることにより、被測定物体Ｏの当該測定領域（信号光Ｓが照射されたｘｙ領域、かつ、ｚ座標＝ｌの領域）における酸素飽和度の分布状態を表現した画像を形成することができる。

そのためには、式（１６）〜（２０）を考慮すると、被測定物体Ｏに対する信号光Ｓの入射時の強度Ｉ_ｉｎ、光ビームＢ１に基づく信号光Ｓの出射時の強度Ｉ_{ｏｕｔ、１}、光ビームＢ２に基づく信号光Ｓの出射時の強度Ｉ_{ｏｕｔ、２}、及び、干渉光Ｌの生成に関与する信号光Ｓが被測定物体Ｏにおいて反射された深さｌを取得すれば十分であることが分かる。

まず、信号光Ｓの入射時の強度Ｉ_ｉｎは、広帯域光源２Ａ、２Ｂの出力光量とハーフミラー６の透過率とから求めることができる。なお、偏光板３やレンズ４、５による光量減衰が無視できない場合にはそれらも考慮される。

また、光ビームＢ１、Ｂ２に基づく信号光Ｓが被測定物体Ｏから出射するときの強度Ｉ_{ｏｕｔ、１}、Ｉ_{ｏｕｔ、２}については、ＣＣＤ２１、２２により検出される干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とから求めることができる。

また、信号光Ｓの反射位置の深さｌは、参照鏡９の位置から容易に求めることができる。例えば、ハーフミラー６から参照鏡９までの距離と、ハーフミラー６から被測定物体Ｏまでの距離とが一致するときの参照鏡９の位置を基準とすると、信号光Ｓの反射位置の深さｌは、測定時における参照鏡９の当該基準位置からの変位量として得られる。なお、前述のように、参照鏡９の移動は制御部３７により制御されるので、演算部２０Ａは、制御部３７が把握する参照鏡９の位置情報を参照して深さｌを求めることができる。

光画像計測装置１は、以上のようにして、被測定物体Ｏ（生体組織）における散乱・吸収係数の分布を表す画像を形成することができる。この散乱・吸収係数の分布画像は、被測定物体Ｏにおけるヘモグロビンの酸素飽和度の分布状態を表現するものである。

［作用・効果］
このように、本実施形態の光画像計測装置１によれば、被測定物体Ｏに対して信号光Ｓを走査させなくても、被測定物体Ｏの或る深さにおける２次元の画像を取得することができ、また、参照鏡９をｚ−スキャンさせるだけで被測定物体Ｏの３次元画像を取得することができるので、ヘモグロビンの酸素飽和度を表現する画像を効率的に形成することが可能である。

また、切り換え出力される光ビームＢ１、Ｂ２の波長λ１、λ２の値を目的に応じて任意に設定することにより、生体組織のその他の機能的情報を表現する画像についても効率的に形成できる。

［変形例］
広帯域光源２Ａ、２Ｂを交互に切り換え動作させるための手法は、光源駆動部３５による光ビーム出射部２のパルス駆動によるものに限定されるものではない。例えば、広帯域光源２Ａ、２Ｂとして連続的な光ビーム（連続光）Ｂ１、Ｂ２を発するものを用いるとともに、この連続的な光ビームＢ１、Ｂ２を選択的に（つまり交互に）遮断するシャッタ（光ビーム遮断手段）とを設けることにより、光ビームＢ１、Ｂ２を交互に切り換え出力するようにしてもよい。その場合、本発明の「光ビーム出力手段」は、光ビーム出射部２と当該光ビーム遮断手段とを含んで構成される。

また、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、光ビーム出射部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、反射鏡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光源駆動部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。

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、参照鏡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。

また、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。

また、光画像計測装置１の検出手段は、前述のＣＣＤ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い。

また、マイケルソン型の干渉計を備えた光画像計測装置１について説明したが、例えばマッハツェンダー型やフィゾー型などその他の形態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）。

〈第２の実施形態〉
続いて、本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、干渉光Ｌのサンプリングをシャッタを用いて行うように構成されている。

［装置の構成］
まず、本実施形態の光画像計測装置の構成について説明する。図６は、本実施形態の光画像計測装置の（主に）光学系の構成を表し、図７は、その制御系の構成を表している。以下、第１の実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明する。

〔光学系の構成〕
本実施形態の光画像計測装置１００は、図６に示すように、第１の実施形態と同様の光ビーム出射部２と、この光ビーム出射部２からの光ビームＢ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Ｂ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Ｍを生成するハーフミラー６（分割手段、重畳手段）と、周波数シフタ８（周波数シフト手段）と、全反射鏡からなる参照鏡９（参照物体）と、この参照鏡９を参照光Ｒの光路方向に移動させるピエゾ素子９Ａとを含んで構成される。

光ビーム出射部２は、第１の実施形態の図２に示すように、（中心）波長λ１の光ビームＢ１を出力する広帯域光源２Ａと、波長λ２の光ビームＢ２を出力する広帯域光源２Ｂとを含んで構成されている。また、ピエゾ素子９Ａは、参照鏡９を振動させるようにも作用するようになっている。

なお、周波数シフタ８を用いる代わりに、又は、周波数シフタ８に加えて、参照鏡９のｚ−スキャンによって参照光Ｒの周波数をシフトさせるようにしてもよい。

また、光画像計測装置１００には、ハーフミラー６により生成された干渉光Ｍを結像させる結像用レンズ群１０と、この干渉光Ｍを２つの干渉光Ｍ１、Ｍ２に分割するビームスプリッタ１２（光路分割手段）と、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、２２（検出手段）と、これらＣＣＤ２１、２２の直前に配置され、干渉光Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ周期的に遮断する液晶シャッタ等の高速シャッタなどからなるシャッタ４１、４２とが設けられている。ＣＣＤ２１、２２による検出結果は、信号処理部２０（画像形成手段）に出力される。

なお、シャッタ４１、４２は、それぞれＣＣＤ２１、２２の直前に配置されている必要はなく、ビームスプリッタ１２による干渉光Ｍ１、Ｍ２の分岐点からＣＣＤ２１、２２とを結ぶ各光路上の任意の位置に配設することが可能である。すなわち、シャッタ４１、４２は、各干渉光Ｍ１、Ｍ２の遮断と通過とを切り換えてＣＣＤ２１、２２による受光光量を０と１００とに切り換え可能な位置に配置されていれば十分である。

更に、光画像計測装置１００は、シャッタ駆動用のパルス信号を発生させるパルス信号発生器５０と、このパルス信号発生器５０が発生したパルス信号の位相をシフトさせてシャッタ４１、４２にそれぞれ供給する位相シフタ５１、５２とを備えている。シャッタ４１、４２は、位相シフタ５１、５２からのパルス信号をタイミング信号として、干渉光Ｍ１、Ｍ２の遮断／通過をそれぞれ独立に切り換える。

各シャッタ４１、４２は、位相シフタ５１、５２からのタイミング信号に基づいて所定の周波数で干渉光Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ周期的に遮断することにより、各干渉光Ｍ１、Ｍ２をサンプリングする。それにより、ＣＣＤ２１、２２は、それぞれ対応する干渉光Ｍ１、Ｍ２を周期的に受光して光電変換し、その変換結果であるヘテロダイン信号を信号処理部２０に出力する。信号処理部２０は、第１の実施形態と同様に、後述の演算処理を行うとともに被測定物体Ｏの画像を形成する処理を行う。

ここで、位相シフタ５１、５２は、シャッタ４１、４２の開閉動作に所定の位相差を与える。この位相差は、例えば、第１の実施形態と同様に９０°（π／２）でもよいし、１８０°（π）などとしてもよい（任意に設定できる）。よって、シャッタ４１、４２の両方の前に位相シフタを設ける必要はなく、その一方の前にのみ設けるようにしてもよい。例えば、シャッタ４１の前には位相シフタを配置せず、シャッタ４２の前にのみ位相シフタを配置することができる。

なお、シャッタ４１、４２は、本発明の「強度変調手段」を構成している。なお、本発明に係る強度変調手段は、干渉光Ｍ１、Ｍ２を完全に遮断するシャッタに限定されるものではなく、例えば、干渉光Ｍ１、Ｍ２の５０％を透過させる（透過率５０％）ようなフィルタ等を用いることもできる。このようなフィルタ等を干渉光Ｍ１、Ｍ２の光路上に挿脱すれば、干渉光Ｍ１、Ｍ２の強度が１００％と５０％との間で変調されることとなる。

光ビーム出射部２２から出射された光ビームＢは、レンズ４、５によってそのビーム径を広げられ、ハーフミラー６により信号光Ｓと参照光Ｒとに分割される。信号光Ｓは、被測定物体Ｏに入射され、その表面形態及び内部形態の情報を含む反射光波としてハーフミラー６に再び入射される。

一方、参照光Ｒは、周波数シフタ８により周波数がシフトされるとともに、ピエゾ素子９Ａにより振動される参照鏡９を経由してハーフミラー６に再び入射される。

被測定物体Ｏからの信号光Ｓの一部はハーフミラー６により反射される。それと同時に、周波数シフトを受けた参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過する。それにより、信号光Ｓと参照光Ｒとがハーフミラー６によって重畳され、干渉光Ｍが生成される。干渉光Ｍは、結像用レンズ群１０を経由してビームスプリッタ１２へと伝搬される。

干渉光Ｍは、ビームスプリッタ１２によってその光路が２つに分割される。ビームスプリッタ１２により反射された干渉光Ｍ１は、シャッタ５１を介してＣＣＤ２１により検出される。また、ビームスプリッタ１２を透過した干渉光Ｍ２は、シャッタ４２を介してＣＣＤ２２により検出される。

なお、ビームスプリッタ１２による干渉光Ｍの分割率、つまり反射される干渉光Ｍ１と透過される干渉光Ｍ２との強度比は１：１であることが望ましい。それにより、各ＣＣＤ２１、２２により検出される干渉光Ｍ１、Ｍ２は、それぞれ等しい強度レベルとされ、後述の演算処理を行うのに好適である。ただし、ビームスプリッタ１２による干渉光Ｍの分割率はこれに限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。

更に、光画像計測装置１００は、レーザ光を発するレーザダイオード等からなる光源３１と、この光源３１からのレーザ光の一部を透過させるビームスプリッタ３２と、このビームスプリッタ３２を透過したレーザ光を、周波数シフタ８及び参照鏡９を経由する第１のレーザ光と反射鏡３３に向かう第２のレーザ光とに分割するとともに、第１、２のレーザ光を重畳させて補助干渉光を生成するビームスプリッタ３９と、生成された補助干渉光を受光するフォトディテクタ（ＰＤ）３４とを備えている。ここで、ビームスプリッタ３９と参照鏡９との間の距離と、ビームスプリッタ３９と反射鏡３３との間の距離とはほぼ等しく設定されている。

光源３１から出力されたレーザ光は、その一部がビームスプリッタ３２を透過し、次のビームスプリッタ３９によって参照鏡９に向かう第１のレーザ光と反射鏡３３に向かう第２のレーザ光とに分割される。

参照鏡９方向の光路を伝搬する第１のレーザ光は、周波数シフタ８や、ピエゾ素子９Ａにより移動される参照鏡９によって周波数シフトを受けてビームスプリッタ３９に再び入射される。このとき、第１のレーザ光に対する周波数シフトは、参照光Ｒに対する周波数シフトに等しいシフト量となる。

一方、反射鏡３３方向の光路を伝搬する第２のレーザ光は、反射鏡３３によって反射されてビームスプリッタ３９に再び入射される。

参照鏡９により反射された第１のレーザ光の一部は、ビームスプリッタ３９により反射されてビームスプリッタ３２に向かって進行する。また、反射鏡３３により反射された第２のレーザ光の一部は、ビームスプリッタ３９を透過してビームスプリッタ３２に向かって進行する。このとき、両レーザ光は、ビームスプリッタ３９により重畳されて補助干渉光を生成する。この補助干渉光は、干渉光Ｍと等しいビート周波数を有している。

ビームスプリッタ３９により生成された補助干渉光は、ビームスプリッタ３２により一部が反射されてフォトディテクタ３４に受光される。フォトディテクタ３４は、受光した干渉光に対応する電気信号を出力する。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いる。当該交流成分の周波数は、上述のように干渉光Ｍのビート周波数に等しい。

〔制御系の構成〕
次に、図７を参照して、光画像計測装置１００の制御系の構成について説明する。光画像計測装置１００の制御系は、光ビーム出射部２の広帯域光源２Ａ、２Ｂをそれぞれ独立に駆動する光源駆動部３５と、画像が表示される表示装置３６と、装置各部の制御を行う制御部３７と、演算部２０Ａ及び画像形成部２０Ｂとを備えた信号処理部２０と、ＣＣＤ２１、２２とを含んで構成される。

制御部３７には、フォトディテクタ３４による検出信号や、信号処理部２０によって形成された画像（画像信号）が入力される。

光源駆動部３５は、制御部３７の制御の下に、広帯域光源２Ａ、２Ｂをそれぞれ独立に駆動するための前述の光源駆動信号を生成する。そのために、光源駆動部３５は、制御部３７によるＣＣＤ２１、２２のフレームレート（フレーム間隔）の設定値情報を基に、当該フレームレートに同期した周波数のパルス信号を生成する。このパルス信号は、広帯域光源２Ａを駆動する第１の光源駆動信号として用いられる。

また、光源駆動部３５は、形成された第１の光源駆動信号の位相をＣＣＤ２１、２２のフレーム間隔に対応する量だけシフトさせて、広帯域光源２Ｂを駆動する第２の光源駆動信号を生成する。光源駆動部３５は、以上のようにして得られた第１の光源駆動信号と第２の光源駆動信号を、光ビーム出射部２の広帯域光源２Ａ、２Ｂにそれぞれ出力する。

光画像計測装置１００には、更に、ピエゾ素子９Ａを駆動するピエゾ駆動器３８と、シャッタ４１、４２を駆動するためのパルス信号発生器５０とが設けられている。

ピエゾ駆動器３８は、制御部３７の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）を有し、かつ、ピエゾ素子９Ａの振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９Ａに出力するよう動作する。ここで、ピエゾ素子９Ａに送られる電気信号の振幅とピエゾ素子９Ａの振動の振幅との関係は既知とされ、ピエゾ駆動器３８は、この関係から求めた振幅の電気信号をピエゾ素子９Ａに出力する。それにより、参照鏡９は、干渉光Ｍの周波数に同期した周波数で振動され、その振幅は、干渉光Ｍの波長の２分の１とされる。

また、パルス信号発生器５０は、制御部３７の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）のパルス信号を生成して位相シフタ５１、５２にそれぞれ出力する。位相シフタ５１、５２は、このパルス信号の位相を相対的にシフトさせて、シャッタ４１、４２にそれぞれ出力する。シャッタ４１、４２は、位相が相対的にシフト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にて開閉動作を繰り返す。それにより、ＣＣＤ２１、２２は、干渉光Ｍの周波数と同期した周波数で干渉光Ｍ、Ｍ２をそれぞれ受光することとなる。

［測定形態］
続いて、本実施形態の光画像計測装置１００による被測定物体Ｏの画像の測定形態について説明する。以下、まず、光画像計測装置１００による測定原理について説明し、それから、生体組織の機能的情報の画像化処理について説明する。

光源３１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３９により参照鏡９方向の光路と反射鏡３３方向の光路とに分割されるとともに、互いに重畳されて補助干渉光を生成してフォトディテクタ３４により受光される。フォトディテクタ３４は、受光した補助干渉光の周波数と同期した周波数の電気信号を出力する。

パルス信号発生器５０は、フォトディテクタ３４からの電気信号に基づき、当該電気信号に同期した周波数のパルス信号を発生し、各位相シフタ５１、５２に送信する。位相シフタ５１、５２は、このパルス信号の位相をシフトさせてシャッタ４１、４２にそれぞれ出力する。シャッタ４１、４２は、このパルス信号の周波数にて開放／遮蔽を切り換える。

また、ピエゾ駆動器３８は、フォトディテクタ３４からの電気信号に同期した周波数で、かつ、ピエゾ素子９Ａの振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９Ａに出力する。それにより、参照鏡９は、ピエゾ素子９Ａにより、干渉光Ｌの周波数に同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で振動される。なお、参照鏡９の振幅は、干渉光Ｌの波長の２分の１に限定されるものではなく、任意に設定することが可能である。

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（＝干渉光Ｌの周波数）と同期した周波数でシャッタ４１、４２を開閉させて干渉光Ｍ１、Ｍ２のサンプリングを行うとともに、干渉光Ｌと同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で参照鏡９を振動させるようになっている。

シャッタ４１の開閉タイミングを制御するサンプリング関数ｍ_１（ｔ）は、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形波の信号列からなる。ここで、光源３１からのレーザ光と光ビーム出射部２からの光ビームＢとの中心波長がほぼ同じであるとすると、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）の周波数（サンプリング周波数）ｆ_ｓｍは、式（１）に示すビート周波数ｆ_ｉｆに等しいか、もしくはそれに近い値となる（すなわち、ｆ_ｓｍ＝ｆ_ｉｆもしくはｆ_ｓｍ≒ｆ_ｉｆとなる）。サンプリング関数ｍ_１（ｔ）の周波数ｆ_ｓｍと式（１）に示すヘテロダイン信号のビート周波数ｆ_ｉｆとの差をδｆ＝｜ｆ_ｉｆ−ｆ_ｓｍ｜と表す。このδｆは、ＣＣＤ２１の応答周波数に比べ十分に小さく設定されている。それにより、干渉光Ｍ１の各周期においてほぼ同一の位相の部分がサンプリングされる。このとき、干渉光Ｍ１を受光したＣＣＤ２１からの出力ｉ_１（ｔ）は、測定時間内にＣＣＤ２１に蓄積された光電荷量に比例しており、具体的には次式によって与えられる（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．２８、８１６（２００３）を参照）。

ここで、＜−＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表している。また、φは測定の初期位相値を表し、Ｋ_１はビームスプリッタ１２の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率を表している。

同様に、シャッタ４２は、パルス信号発生器５０から周波数ｆ_ｓｍで出力されたパルス信号に基づくサンプリング関数ｍ_２（ｔ）にしたがって、その開閉タイミングが制御され、干渉光Ｍ２のサンプリングを実行する。シャッタ４２によりサンプリングされた干渉光Ｍ２は、ＣＣＤ２２により検出される。サンプリング関数ｍ_２（ｔ）は、干渉光Ｍ１をサンプリングするサンプリング関数ｍ_１（ｔ）と同一の周波数ｆ_ｓｍを有し、５０％ｄｕｔｙの矩形列の波形を有している。また、サンプリング関数ｍ_２（ｔ）は、サンプリング関数ｍ_１（ｔ）に対して位相差Δθ_１，２（例えば１８０°、９０°など）を有する。この位相差Δθ_１，２は、位相シフタ５１、５２による位相のシフト量をあらかじめ設定することで生成される。以上のような条件の下に、式（２１）と同様の原理で、ＣＣＤ２２からは次のような出力ｉ_２（ｔ）が得られる。

ただし、Ｋ_２は、ビームスプリッタ１２の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率とを含めた光検出効率である。

式（２１）と式（２２）から分かるように、ＣＣＤ２１、２２からの出力には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度Ｉ_ｓ、Ｉ_ｒの項とともに、干渉光Ｍ１、Ｍ２の振幅√（Ｉ_ｓＩ_ｒ）及び位相（２πδｆｔ＋φ）、（２πδｆｔ＋Δθ_１，２）に関わる項がそれぞれ含まれている。

図８は、５０％ｄｕｔｙのサンプリング関数ｍ_１（ｔ）とｍ_２（ｔ）との位相差Δθ_１，２を１８０°（π）としたときのシャッタ４１、４２による干渉光Ｍ１、Ｍ２のサンプリング動作を説明するための図である。図８（Ａ）は、干渉光Ｍの時間波形を表す。図８（Ｂ）は、シャッタ４１を介してＣＣＤ２１に受光される干渉光Ｍ１の時間波形を表す。図８（Ｃ）は、シャッタ４２を介してＣＣＤ２２に受光される干渉光Ｍ２の時間波形を表す。

同図から見て取れるように、シャッタ４１は、干渉光Ｍの位相が０°のときに開放され、その位相が１８０°のときに遮蔽されるようになっており、干渉光Ｍ１（干渉光Ｍ）の位相０°〜１８０°の部分がＣＣＤ２１によって検出されるようになっている。また、シャッタ４２は、干渉光Ｍの位相が１８０°のときに開放され、その位相が３６０°＝０°のときに遮蔽されるようになっており、干渉光Ｍ２（干渉光Ｍ）の位相１８０°〜３６０°の部分がＣＣＤ２２によって検出されるようになっている。

ここで、高精度の画像を取得するために、図８（Ｂ）に示すように、ＣＣＤ２１により検出される干渉光Ｍ１の一部分は、この干渉光Ｍ１の「山」の部分、すなわち強度が極大の部分を含み、かつ、図８（Ｃ）に示すように、ＣＣＤ２２により検出される干渉光Ｍ２の一部分は、この干渉光Ｍ２の「谷」の部分、すなわち強度が極小の部分を含んでいることが好ましい。なお、逆に、干渉光Ｍ１の「谷」の部分及び干渉光Ｍ２の「山」の部分を検出するようにしてもよい。

信号処理部２０の演算部２０Ａは、各ＣＣＤ２１、２２による検出結果から干渉光Ｍの信号強度や位相の空間分布を求める。更に、画像形成部２０Ｂは、演算部２０Ａによる算出結果に基づいて各ＣＣＤ２１、２２の検出結果に対応する画像を形成するとともに、それらの画像の差分を求めることにより干渉光Ｍの強度分布や位相分布を表す画像、つまり被測定物体Ｏの表面形態あるいは内部形態を表す画像を形成する。形成された画像は、制御部３７により画像信号として表示装置３６に出力されて画像表示される。

〔生体組織の機能的情報の画像化〕
以上のような光画像計測装置１００の測定原理をベースに実行される本発明に係る測定形態、すなわち生体組織の機能的情報を含んだ画像の形成処理について説明する。以下に説明する演算処理は、信号処理部２０の演算部２０Ａによって実行され、その演算結果に基づく画像形成処理は、画像形成部２０Ｂによって実行される。

以下、生体組織の機能的情報の一例としてヘモグロビンの酸素飽和度を考慮する。光ビームＢ１、Ｂ２の（中心）波長λ１、λ２は、第１の実施形態と同様に、酸化ヘモグロビンの吸収特性と還元ヘモグロビンの吸収特性とが交差する波長の前後にそれぞれ設定されているものとする。例えば、光ビームＢ１の波長λ１を、酸化ヘモグロビンがより吸収する波長（例えば８４０ｎｍ）とし、光ビームＢ２の波長λ２を、還元ヘモグロビンがより吸収する波長（例えば７６０ｎｍ）とする。

光画像計測装置１００は、波長λ１の光ビームＢ１と波長λ２の光ビームＢ２とを、ＣＣＤ２１、２２のフレームレートに同期した周波数で切り換え出力して、各波長に対応する画像を取得するようになっている。

ここで、光ビームＢ１、Ｂ２の最大強度は等しいものとし、被測定物体（生体組織）Ｏに入射する信号光Ｓの強度をＩ_ｉｎとし、また、被測定物体Ｏの散乱・吸収係数をσ＝σ（λ）とし、参照光Ｒと干渉する信号光Ｓが被測定物体Ｏ内にて反射された深さ（すなわち、干渉光ｌの生成に関与する信号光Ｓが被測定物体Ｏ内を伝搬した距離の半分）をｌとする。このとき、光ビームＢ１に基づく信号光Ｓが被測定物体Ｏから出射するときの強度Ｉ_{ｏｕｔ、１}と、光ビームＢ２に基づく信号光Ｓが被測定物体Ｏから出射するときの強度Ｉ_{ｏｕｔ、２}とは、それぞれ上述の［数１１］の式（１６）、（１７）により表される。これらの式より、［数１３］に示した式（２０）の関係が得られる。

したがって、第１の実施形態と同様にして、被測定物体Ｏ（生体組織）における散乱・吸収係数の分布を表す画像を形成することができる。この散乱・吸収係数の分布画像は、被測定物体Ｏにおけるヘモグロビンの酸素飽和度の分布状態を表現するものである。

［作用・効果］
このように、本実施形態の光画像計測装置１００によれば、被測定物体Ｏに対して信号光Ｓを走査させなくても、被測定物体Ｏの或る深さにおける２次元の画像を取得することができ、また、参照鏡９をｚ−スキャンさせるだけで被測定物体Ｏの３次元画像を取得することができるので、ヘモグロビンの酸素飽和度を表現する画像を効率的に形成することが可能である。

また、切り換え出力される光ビームＢ１、Ｂ２の波長λ１、λ２の値を目的に応じて任意に設定することにより、生体組織のその他の機能的情報を表現する画像についても効率的に形成できる。

［変形例］
以上に説明した光画像計測装置１００は、干渉光を２分割してそれぞれ検出するように構成されているが、干渉光の分割後の光路数は任意である。例えば、本発明者らによる特願２００４−１００７４１のように、干渉光を３つに分割してそれぞれ検出するように構成できる。その場合、分割後の各光路上に検出手段（ＣＣＤ）が設けられる。また、干渉光を強度変調する強度変調手段（シャッタ）は、分割された干渉光の光路の内の幾つかにそれぞれ設けられる。例えば、干渉光の背景光（直流成分）の強度測定専用の検出手段を設ける場合には、当該検出手段の前に強度変調手段を配置する必要はない。

また、本発明において、参照鏡９を振動させる構成は必須のものではなく、例えば干渉光を３つ以上の光路に分割して検出する場合などには当該構成は不要である。

また、第１の実施形態の変形例にて説明したように、光ビームＢ１、Ｂ２を交互に切り換え出力するための構成として、光ビーム遮断手段を含んだ構成を用いることも可能である。

〈各種変形例〉
以上に詳述した各実施形態は、本発明の光画像計測装置を実施するための一構成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ける変形を任意に施すことが可能である。

光ビーム出射部２に含まれる広帯域光源の個数は任意である。一般に、光ビーム出射部２にはｎ個の広帯域光源２−１、２−２、・・・・、２−ｎを設けることができる（ｎ≧２）。これら広帯域光源２−１〜２−ｎは、それぞれ異なる中心波長の光ビームを出力する（なお、同じ波長のものがあっても構わない）。それにより、生体組織の複数種類の機能的情報を表現した画像を形成することが可能となる。すなわち、以上の各実施形態では２つの波長の光ビームを用いているので、１種類の機能的情報（ヘモグロビンの酸素飽和度）を表現する画像しか取得できなかったが、３つ以上の波長の光ビームを用いることにより、２種類以上の機能的情報を表現する画像を取得することが可能となる。

また、波長の異なる複数の光ビームを切り換え出力する手法は、上述した光源をパルス駆動する手法や光ビームをシャッタにて周期的に遮蔽する手法に限定されるものではなく、任意の手法を適用することが可能である。

本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の光学系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第１の実施形態の光学系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第１の実施形態の制御系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第１の実施形態において、２つの広帯域光源をそれぞれ駆動する光源駆動信号の生成処理の一例を説明するための図である。図４（Ａ）は、光ビームの強度変調の周波数に対応する第１のパルス信号の時間波形を表す。図４（Ｂ）は、ＣＣＤによる干渉光の検出のフレーム間隔を表す。図４（Ｃ）は、２つの広帯域光源の出力を切り換える周波数に対応する第２のパルス信号の時間波形を表す。図４（Ｄ）は、２つの広帯域光源の一方に出力される第１の光源駆動信号の時間波形を表し、図４（Ｅ）は、他方の広帯域光源に出力される第２の光源駆動信号の時間波形を表す。 本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態における干渉光の検出態様の一例を説明するためのグラフ図である。図５（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５（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５（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５（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５（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第２の実施形態の光学系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第２の実施形態の制御系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第２の実施形態の強度変調手段（シャッタ）による干渉光のサンプリング動作を説明するためのグラフ図である。図８（Ａ）は、干渉光の時間波形を表す。図８（Ｂ）は、強度変調手段の一方を介して受光される干渉光の時間波形を表す。図８（Ｃ）は、強度変調手段の他方を介して受光される干渉光の時間波形を表す。 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、１００ 光画像計測装置
２ 光ビーム出射部
２Ａ、２Ｂ 広帯域光源
２Ｃ ビームスプリッタ
２Ｄ 反射鏡
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
２０Ａ 演算部
２０Ｂ 画像形成部
２１、２２ ＣＣＤ
３１ 光源
３２、３９ ビームスプリッタ
３３ 反射鏡
３４ フォトディテクタ（ＰＤ）
３５ 光源駆動部
３６ 表示装置
３７ 制御部
３８ ピエゾ駆動器
４１、４２ シャッタ
５０ パルス信号発生器
５１、５２ 位相シフタ
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２ 光ビーム
Ｒ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ、Ｍ 干渉光
Ｌ１ Ｓ偏光成分
Ｌ２ Ｐ偏光成分
Ｍ１、Ｍ２ （分割された）干渉光
Ｏ 被測定物体

Claims (7)

1. 複数の異なる波長の光ビームをそれぞれ周期的に強度変調させつつ、切り換え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干渉光を生成する重畳手段と、
   前記生成された前記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干渉光の各偏光成分を検出する２次元の検出手段と、
   前記複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被測定物体の画像を形成する画像形成手段と、
   を備えることを特徴とする光画像計測装置。
2. 複数の異なる波長の光ビームを切り換えて出力する光ビーム出力手段と、
   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、
   前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、
   前記周波数が相対的にシフトされ、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、
   前記生成された干渉光の光路を分割する光路分割手段と、
   前記分割された各光路の前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ変調する強度変調手段と、
   前記強度変調された前記各光路の前記干渉光をそれぞれ検出する２次元の検出手段と、
   前記複数の異なる波長の内の少なくとも２つの波長の光ビームのそれぞれについての前記検出手段による検出結果に基づいて、前記被測定物体の画像を形成する画像形成手段と、
   を備えることを特徴とする光画像計測装置。
3. 前記光ビーム出力手段により出力される前記光ビームの波長の切り換えは、周期的に行われ、
   前記検出手段による検出は、所定の時間間隔で行われ、
   前記光ビームの波長の切り換えの周期と前記検出手段による検出の前記時間間隔とは、互いに同期されている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置。
4. 前記光ビーム出力手段は、
   波長の異なる光ビームを出射する複数の光源と、
   前記複数の光源のそれぞれを独立に駆動することにより、前記出力される前記光ビームを切り換える光源駆動手段と、
   を含んでいることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
5. 前記光ビーム出力手段は、
   波長の異なる光ビームを出射する複数の光源と、
   前記複数の光源から出力された複数の前記光ビームを選択的に遮断することにより、前記出力される前記光ビームを切り換える光ビーム遮断手段と、
   を含んでいることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
6. 前記検出手段による検出結果に基づいて前記干渉光の強度もしくは位相を算出する演算手段を備え、
   前記被測定物体の画像は、前記算出された前記干渉光の強度もしくは位相に基づいて形成される、
   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. 前記被測定物体は生体組織であり、
   前記少なくとも２つの光ビームは、酸化ヘモグロビンが還元ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する第１の光ビームと、還元ヘモグロビンが酸化ヘモグロビンよりも多く吸収される波長域の中心波長を有する第２の光ビームとを含み、
   前記画像形成手段は、前記第１の光ビームに基づく前記干渉光についての前記検出手段による検出結果と、前記第２の光ビームに基づく前記干渉光についての前記検出手段による検出結果とに基づいて、前記生体組織におけるヘモグロビンの酸素飽和度の分布を表現する画像を形成する、
   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。
   
   

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