JP2008209233A - スペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非干渉成分と共に瞬時背景雑音光をも除去できて、さらには時間ステップ的に位相シフトを導入しても各瞬時背景雑音光を除去できるスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置を提供する。
【解決手段】参照光と物体光を例えば無偏光ビームスプリッター８の反射時の位相変化を利用して合波・分離して、各分離光Ｉａ，Ｉｂをマルチチャンネル分光器９，１０で検出し、干渉分光データを得て、両者の差分演算で瞬時背景雑音光成分を除去した後、フーリエ積分を適宜演算して断層画像を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉系において、参照光と物体光とを合波して位相変化させて分離し、回折分光を検出するスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置に関するものである。

近年、広帯域でショートコヒーレンス特性を有する光源を用いた光コヒーレンストモグラフィー装置が発明され、すでに実用化され諸分野で広く活用されている（例えば、下記特許文献１および非特許文献１参照）。これらの時間領域光コヒーレンストモグラフィーに対し、干渉光を分光して検出し、逆フーリエ変換を演算して、被計測物体の深層の分布を測定する方法が知られている（例えば、下記非特許文献２参照）。このような方法は、最近はフーリエドメインあるいはスペクトルドメイン光コヒーレンストモグラフィーと称されている（下記非特許文献３参照）が、位相シフト法（例えば、特許文献２）を用いて非干渉成分（ＤＣ成分に相当）を相殺して干渉成分（ＡＣ成分に相当）を抽出し、さらに複素共役像といわれる“影”を除去することなどが考案されている。また、偏光と時間差を用いた多重化スペクトル干渉光コヒーレンストモグラフィーによる複素共役像を含まないフルレンジの方法が考案されている（例えば、下記特許文献３参照）。

他方、光通信の受信法には従来よりバランスドレシーバーとして、受信変調信号光を無偏光ビームスプリッターなどで局発振光と混合して変調信号を位相反転して検出する方法が知られている。それを応用して参照光と物体光のヘテロダインビート信号を得る方法（例えば、下記非特許文献４参照）も行われているが、いずれも時間領域のビート周波数波形の位相反転のみに注目した方法である。

図６は従来（特許文献３）の時間分離と偏光分離を用いて、２台の分光器で独立の断層像を得る複素共役像を含まないフルレンジのスペクトル干渉光コヒーレンストモグラフィーの構成図である。

この図において、１０１は光源、１０２は無偏光ビームスプリッター、１０３は走査鏡、１０４はレンズ、１０５は被計測物体、１０６は第１の偏光ビームスプリッター、１０７ａ、１０７ｂは１／４波長板、１０８ａ、１０８ｂは参照鏡、１０９ａ、１０９ｂはピエゾ素子、１１０、１１１はスペクトロメーター、１１２は第２の偏光ビームスプリッターである。

この構成では、紙面に垂直な偏光成分と平行な偏光成分を独立させるため、第１の偏光ビームスプリッター１０６から参照鏡１０８ａ、１０８ｂまでの光路長差をそれぞれ独立として、異なる深層の領域を走査する。各偏光毎の合波光は再度第２の偏光ビームスプリッター１１２で分離し、スペクトロメータ１１０、１１１でそれぞれ検出するものである。したがって、各スペクトロメーター１１０，１１１の出力間には位相相関はない。各ピエゾ素子１０９ａ、１０９ｂは参照鏡１０８ａ，１０８ｂを光路上で移動して各偏光毎に位相シフトを与え、演算によって断層画像を得るものとしている。
特開平４−１７４３４５号公報 特開２００５−３５１７２７号公報 特開２００６−０５２９５４号公報 光学、２８巻３号、１９９９年 ｐｐ. １１６−１２５ Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ,ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．８，１９９４，ｐｐ．５８７−５８９ レーザー研究、第３４巻第７号、２００６年、ｐｐ．４７６−４８２ ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ、ｖｏｌ. １１, Ｎｏ．２２，２００３，ｐｐ．２９５３−２９６３

しかしながら、機械的位相シフトを時間ステップで施した各偏光成分毎の回折分光を検出する方法では、参照光や物体光に伴う瞬時揺らぎ光の除去には無力である。非干渉成分（ＤＣ成分に相当）は演算で除去できても、被計測物体の揺らぎなどに基づく瞬時背景雑音光はその位相シフト毎に異なるため、その位相シフト毎に検出したデータ間での差分演算では除去できなかった。そのためこれらの瞬時背景雑音光は断層画像のコントラストや解像度の低下を招く要因となり、機械的位相シフトを実施しないで干渉光を検出する方法以外には、良い解決方法がなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、非干渉成分と共に瞬時背景雑音光をも除去でき、さらには時間ステップ的に位相シフトを導入しても各瞬時背景雑音光を除去できるスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、光源と、この光源からの光を物体光と参照光に２分割する手段と、前記物体光を被計測物体に走査して照射し回帰する手段と、物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段と、前記参照光と前記回帰した物体光を合波し、この合波の位相を変化させて分離光を生成する手段と、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段と、この検出手段からの各検出データを演算処理して前記被計測物体の断層画像を形成し表示する表示手段とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段は、可動ステージと反射ミラーから成ることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段は、可動ステージとピエゾ素子とリトロリフレクターから成ることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記参照光と前記回帰した物体光を合波し位相変化させて分離光を生成する手段は、無偏光ビームスプリッターから成ることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段は、マルチチャンネル分光器から成ることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段は、直線偏光子と反射ミラーとハーフミラーと回折分光を偏光分離して検出する光アレイセンサー付きの偏光分離分光器から成ることを特徴とする。

本発明によれば、無偏光の参照光と被計測物体から反射回帰した物体光とを無偏光ビームスプリッターなどで合波し、それぞれが透過光と反射光となるとき、各反射光電界は空間干渉成分においてもπ／２だけ位相が変位することを利用し、各分離された合波干渉光は相対的に位相が反転した関係となることにより、各分離された合波干渉光の回折分光を光電検出して差分演算すると非干渉成分の除去とともに瞬時背景雑音光成分をも容易に除去できて、コントラストと解像度の高い被計測物体の深層の分布を観測することができる。

更には、時間ステップで機械的位相シフトを適宜行っても、その位相シフト毎に得られる上記の各分離した回折分光の出力データ間で差分演算を行うことにより、時間ステップによる時間差に無関係に非干渉成分の除去とともに瞬時背景雑音光成分をも容易に除去できて、いわゆるフルレンジのフーリエ変換光コヒーレンストモグラフィーを提供することができる。

本発明のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源と、この光源からの光を物体光と参照光に２分割する手段と、前記物体光を被計測物体に走査して照射し回帰する手段と、物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段と、前記参照光と前記回帰した物体光を合波し、該合波の位相を変化させて分離光を生成する手段と、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段と、この検出手段からの各検出データを演算処理して前記被計測物体の断層画像を形成し表示する表示手段とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
〔第１実施例〕
図１は本発明の第１実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。

この図において、１は光源（例えば、スーパー・ルミネッセント・ダイオード：ＳＬＤ）、２，８は例えば無偏光ビームスプリッター、３，７はハーフミラー、４は１次元走査用のガルバノミラー、５は被計測物体、６は反射ミラー、６ａは可動ステージ、９，１０はマルチチャンネル分光器、１１はコンピューターである。

本実施例では、光源１からの光を物体光と参照光に２分割する手段には無偏光ビームスプリッター２を例示したが、ハーフミラーなどを用いても良いことは明らかである。前記物体光を被計測物体５に走査して照射し回帰する手段にはガルバノミラー４を、物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段に、反射ミラー６と可動ステージ６ａを例示している。また、前記参照光と前記回帰する物体光を合波し位相変化して分離する手段に、無偏光ビームスプリッター８を例示しているが、これはハーフミラーであっても良い。さらに、前記分離光を各回折分光して検出する手段に、マルチチャンネル分光器９，１０を例示している。本実施例の干渉計はマッハ・ツエンダー干渉計型を基本にしている。

光源１よりのビームを無偏光ビームスプリッター２で２分割する。この２分割されたビームのうち一方のビームを参照光として、ハーフミラー７を経て、反射ミラー６で回帰する。この時、可動ステージ６ａにより、参照光路長を適宜変化させることができる。他方の光ビームはハーフミラー３を経て、ガルバノミラー４により被計測物体５への照射位置を走査する。本実施例では、一軸走査の場合を例示してある。被計測物体５の表面乃至深層からの反射光は、ガルバノミラー４を経て回帰する物体光となる。

その参照光と物体光は、無偏光ビームスプリッター８でそれぞれ透過光と反射光となり合波されて各分離光Ｉａ，Ｉｂを形成する。このとき、各反射光にはπ／２だけの位相変化が伴なう。その結果、分離光Ｉａには、透過参照光とπ／２位相変化した物体光が合波され、他方の分離光Ｉｂには、透過物体光とπ／２位相変化した参照光が合波される。それぞれの位相変化は、空間位相（ｋｚ）を検出する回折分光の波長毎の干渉出力信号においても不変的に生じることに注目する。ここで、ｋは波数で2 π／λ（λ：光源波長）を表し、ｚは参照光路長と物体光路長との差で、深層反射位置を表す。その結果、マルチチャンネル分光器などの光アレイセンサーからの各検出データは次式で与えられる。

Ｉａ (ｋ) ＝ Ｉｐ( ｋ) ＋ ΔＩ (ｔ，ｋ) ＋２Ｉｓ (ｋ) ｓｉｎ (ｋｚ) …（１）
Ｉｂ (ｋ) ＝ Ｉｐ( ｋ) ＋ ΔＩ (ｔ，ｋ) −２Ｉｓ (ｋ) ｓｉｎ (ｋｚ) …（２）
ここで、Ｉｐ（ｋ）は参照光Ｉｒ（ｋ) と物体光Ｉｏ（ｋ) の和でＤＣ成分（背景雑音）に相当し、ΔＩ (ｔ，ｋ) は瞬時背景雑音光を表し、Ｉｓ（ｋ) は参照光電界と物体光電界の積で、測定したいＡＣ成分を表す。

測定された上記式（１）と式（２）の差分演算をコンピューター１１などを用いて実行すると、次式のデータを得られる。

Ｉｃ (ｋ) ＝ ４Ｉｓ（ｋ) ｓｉｎ (ｋｚ) …（３）
これより、上記式（３）には、非干渉成分（ＤＣ成分）が除去できると同時に瞬時背景雑音光成分ΔＩ (ｔ，ｋ) も除去でき、観測したい干渉成分Ｉｓ（ｋ) のみを含む項が抽出できる。

上記式（３）のデータを波数座標ｋから周波数座標ωに変換した後に、右辺にフーリエ複素積分を実行し絶対値の２乗をとると、断層画像の１次元強度分布を表すデータが取得できる。

この演算結果には、観測軸（フーリエ変換座標）をζとすると、δ（ζ―ｚ）と複素共役δ（ζ＋ｚ）を含む項が同時に存在する（ここでδ（Ｘ) はデルタ関数を表す）。そのため、反転された深層分布が重畳されて都合が悪いが、深層分布範囲を原点ζ＝０よりはずして観測すれば、複素共役像を分離して観測することができる。ガルバノミラー４で被計測物体５への物体光の照射位置を走査して、その都度上記の測定と演算を実行すれば２次元断層像を比較的簡便に観測できる。

この照射位置毎の物体光のＤＣ成分と瞬時背景雑音光を瞬時に差分演算することによって、時間差や照射部位に無関係に除去できる特性を有することになる。
〔第２実施例〕
図２は本発明の第２実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。

この図において、４ａはＸ−Ｙ軸（光軸方向をＺ軸として）２次元走査用のガルバノミラー、６ｂはリトロリフレクター、６ｃはピエゾ素子である。他の構成部品は、第１実施例と同じであるから説明は省略する。

本実施例は、物体光路に可動ステージ６ａとピエゾ素子６ｃとリトロリフレクター６ｂを設け、物体光路長と参照光路長との差を、粗動および微動できるようした実施例であるが、参照光路あるいは物体光路の他の位置に設けても同じ効果が得られることは明らかである。粗動によって深層測定位置を探査して、第１実施例と同じ測定を実施し、上記式（１）および式（２）で表されるデータを取得する。その後、時間ステップΔｔ後にピエゾ素子を（λ／４）／２だけ駆動して物体光にπ／２だけ位相シフトを施して、次式を得る。
Ｉａ (ｋ) ＝Ｉｐ（ｋ) ＋ΔＩ (ｔ＋Δｔ，ｋ) ＋２Ｉｓ (ｋ) ｃｏｓ (ｋｚ) …（４）
Ｉｂ (ｋ) ＝Ｉｐ（ｋ) ＋ΔＩ (ｔ＋Δｔ，ｋ) −２Ｉｓ (ｋ) ｃｏｓ (ｋｚ) …（５）
上記式（３）および（４）の測定結果には、上記式（１）および式（２）とは異なる瞬時背景雑音光成分ΔＩ（ｔ＋Δｔ，ｋ) が含まれるが、差分演算を実行するとこれを除去することができて、次式のデータが得られる。

Ｉｄ (ｋ) ＝ ４Ｉｓ（ｋ) ｃｏｓ (ｋｚ) …（６）
この測定し演算されたＩｃ (ｋ) とＩｄ (ｋ) を周波数座標ωに変換して、各右辺に余弦、正弦フーリエ変換関数を乗じ、複素共役像成分を消去して、光源の中心周波数がω₀ で周波数幅がΔωの有限積分領域の演算を実行する。これらの演算の結果について自乗和をとると、フーリエ変換座標ζ上に、瞬時背景雑音光の影響の無い、また参照光の自己相関像も物体光の自己相関像も複素共役像も無い、物体深層の実分布像がフルレンジで観測される。

２次元、３次元データは、２次元走査用のガルバノミラー４ａにより照射物体光を被計測物体５上に２次元的に走査して、各走査点毎に上記の１次元実像を測定して演算し積層することで、２次元乃至３次元断層画像をコンピューター１１を用いて表示することができる。前記物体光を被計測物体に走査して照射する手段は、本実施例以外に、被計測物体をＸＹＺ軸可動ステージに置いて、相対的に照射光を走査する方法でも良いことは明らかである。
〔第３実施例〕
図３は本発明の第３実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。

この図において、１２はハーフミラー、１３ａ，１３ｂは光ファイバーである。本実施例は、マイケルソン干渉計を基本として新たに考案した実施例である。光源１からのビームを無偏光ビームスプリッター８で、参照光と物体光に２分割する。参照光はリトロリフレクター６ｂを経て、ピエゾ素子６ｃ付の反射ミラー６で回帰する。この時、可動ステージ６ａとピエゾ素子６ｃで、参照光路長を粗動にあるいは微動に変化させる。一方、物体光は２次元走査用のガルバノミラー４ａを経て、被計測物体５の表面乃至深層で反射され回帰する。この参照光と物体光は、上記と同じ無偏光ビームスプリッター８で合波して分離し、分離光ＩａとＩｂを形成する。分離光Ｉａは、ハーフミラー１２を経て光ファイバー１３ａに入り、マルチチャンネル分光器１０で回折分光して検出する。他方、分離光Ｉｂは、光ファイバー１３ｂに入り、マルチチャンネル分光器９で回折分光して検出する。各検出データは、上記第１実施例あるいは第２実施例と同様に演算を実施することで、２，３次元断層画像を取得できる。

本実施例は、上記のマッハ・ツエンダー干渉計を基本とする場合より、部品点数を減少できる利点と光軸調整が容易である利点がある。他方、分離光Ｉａ、Ｉｂの強度が等しくならない欠点がある。すなわち、Ｉｂは即光ファイバー１３ｂに導入されるが、Ｉａはハーフミラー１２を経るので、略５０％ほど強度が減少する。回折分光を検出後、Ｉａの出力を増幅してＩｂの出力とバランスをとる必要がある。
〔第４実施例〕
図４は本発明の第４実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。

この図において、１４は反射ミラーである。本実施例は、マッハ・ツエンダー干渉計を基本として部品点数を減じ、第３実施例の欠点を解消し新規に考案した実施例である。光源１よりのビームをハーフミラー１２で２分割し、物体光は２次元走査用のガルバノミラー４ａを経て、被計測物体５の表面乃至深層からの反射光が回帰物体光となり、無偏光ビームスプリッター８に至る。他方、参照光はリトロリフレクター６ｂより適宜な光路長を経て回帰して、無偏光ビームスプリッター８で回帰物体光と合波し分離光Ｉａ、Ｉｂを形成する。分離光Ｉａは、反射ミラー１４を経て光ファイバー１３ａに入り、マルチチャンネル分光器１０で回折分光して検出する。他方、分離光Ｉｂは、光ファイバー１３ｂに入り、マルチチャンネル分光器９で回折分光して検出する。各検出データは、上記第１実施例乃至第２実施例と同様に演算を実施して、２，３次元断層画像を取得することができる。本実施例では、分離光Ｉａ，Ｉｂの強度は等しく、第３実施例のように回折分光の検出出力に大幅な利得調整は不要である点が優れている。
〔第５実施例〕
図５は本発明の第５実施例を示す偏光分離して回折分光を検出する実施例の構成図である。

この図において、１５ａおよび１５ｂは、直線偏光子で、互いに直交して配置される。１６ａは反射ミラー、１６ｂはハーフミラー、１７は偏光保持光ファイバー、１８は偏光分離して回折分光を検出する偏光分離分光器、１９は非軸放物面反射ミラー、２０は回折格子、２１は偏光ビームスプリッター、２２は光アレイセンサーである。

本実施例は、第１実施例乃至第４実施例に具備した２台のマルチチャンネル分光器９，１０の代わりに、回折分光する部分を１構成で済ませるように考案した実施例である。なお、反射ミラー１６ａとハーフミラー１６ｂの代わりに台形型無偏光ビームスプリッターを用いるようにしてもよい。

直線偏光子１５ａと１５ｂを互いに直交するように配置して、分離光Ｉａ、Ｉｂを透過させ、それぞれを互いに直交する直線偏光に変換する。この直線偏光を反射ミラー１６ａとハーフミラー１６ｂを用いて合波する。この合波光を偏光保持光ファイバー１７で伝送し、偏光分離分光器１８に入射させる。入射光波は回折格子２０で回折分光され、偏光ビームスプリッター２１で各偏光成分毎に分離される。この分離光は、上記の分離光Ｉａ，Ｉｂに等しくそれぞれ光アレイセンサー２２で検出できる。光アレイセンサー２２は２個必要となるが、高額な回折格子などの光学部品は１構成で済ませられる利点がある。

本発明における各実施例において、光路や分割・分離素子を適宜光ファイバー、光ファイバー結合素子に替えても良いことは明らかで、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

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、組み合わせが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の光コヒーレンストモグラフィー装置は、構成が簡単で製品化が容易であるので、材料分析、非破壊検査、生体計測などのミクロな断層画像を迅速に観測する必要のある分野で広く利用可能である。

本発明の第１実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。 本発明の第２実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。 本発明の第３実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。 本発明の第４実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。 本発明の第５実施例を示す偏光分離して回折分光を検出する実施例の構成図である。 従来の２台の分光器で独立の断層像を得る複素共役像を含まないフルレンジのスペクトル干渉光コヒーレンストモグラフィーの構成図である。

符号の説明

１ 光源
２，８ 無偏光ビームスプリッター
３，７，１２，１６ｂ ハーフミラー
４，４ａ ガルバノミラー
５ 被計測物体
６，１４，１６ａ 反射ミラー
６ａ 可動ステージ
６ｂ リトロリフレクター
６ｃ ピエゾ素子
９，１０ マルチチャンネル分光器
１１ コンピューター
１３ａ，１３ｂ 光ファイバー
１５ａ，１５ｂ 直線偏光子
１７ 偏光保持光ファイバー
１８ 偏光分離分光器
１９ 非軸放物面反射ミラー
２０ 回折格子
２１ 偏光ビームスプリッター
２２ 光アレイセンサー

Claims (6)

1. （ａ）光源と、
   （ｂ）該光源からの光を物体光と参照光に２分割する手段と、
   （ｃ）前記物体光を被計測物体に走査して照射し回帰する手段と、
   （ｄ）物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段と、
   （ｅ）前記参照光と前記回帰した物体光を合波し、該合波の位相を変化させて分離光を生成する手段と、
   （ｆ）前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段と、
   （ｇ）該検出手段からの各検出データを演算処理して前記被計測物体の断層画像を形成し表示する表示手段とを具備することを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。
2. 請求項１記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段は、可動ステージと反射ミラーから成ることを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。
3. 請求項１記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記物体光路長と参照光路長との差を可変とする手段は、可動ステージとピエゾ素子とリトロリフレクターから成ることを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。
4. 請求項１記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記参照光と前記回帰した物体光を合波し位相変化させて分離光を生成する手段は、無偏光ビームスプリッターから成ることを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。
5. 請求項１記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段は、マルチチャンネル分光器から成ることを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。
6. 請求項１記載のスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記分離光をそれぞれ回折分光して検出する検出手段は、直線偏光子と反射ミラーとハーフミラーと回折分光を偏光分離して検出する光アレイセンサー付きの偏光分離分光器から成ることを特徴とするスペクトルドメインの光コヒーレンストモグラフィー装置。

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