JP2010057740A - 観測システム - Google Patents

Abstract

【課題】光を用いて対象物の表面を走査する際に、該対象物の表面の情報を従来に比べて正確に取得可能な観測システムを提供する。
【解決手段】本発明の観測システムは、対象物を照明するための照明光を出射する光源部と、照明光を伝送する照明光伝送部と、照明光伝送部と対象物との間に配置され、照明光伝送部を通過した照明光に含まれる各光線が対象物の表面に到達するタイミングを夫々異ならせるタイミング調整部と、対象物の表面からの反射光が入射される反射光入射部と、反射光入射部に入射された反射光を、時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ順次出力する光検出部と、光検出部から順次出力される電気信号を、対象物の表面の光学像に係る画素情報へ変換する信号処理部と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観測システムに関し、特に、光を用いて対象物の表面を走査することにより、該対象物の表面の状態を観測する観測システムに関するものである。

光を用いて対象物の表面を走査することにより、該対象物の表面の情報を取得する技術が近年提案されている。そして、このような技術としては、例えば、特許文献１のようなものがある。

特許文献１によれば、繰り返しパルス光を対象物に出射した後、その反射光がセンサの受光面上に到達するまでの光の飛行時間に応じて生じる遅れ時間に依存する信号を取り出すことにより、該対象物までの距離の２次元分布を取得する、という技術が開示されている。
特開２００５−８７４６８号公報

しかし、特許文献１に記載の観測方法によれば、対象物の表面に対して垂直に出射される光線を中心軸とした場合、該中心軸に対する同心円上の各点においては、反射光がセンサの受光面上に到達するまでの光の飛行時間（センサにおける反射光の検出タイミング）が同一となるため、前述の遅れ時間が相対的に０となる。

そして、特許文献１に記載の観測方法によれば、時間的に重複した情報が複数得られてしまうことにより、該対象物の表面の情報を正確に取得できない状況が生じ得る。その結果、特許文献１に記載の観測方法においては、例えば、平面上の向きを判別することができないような対象物の像がモニタ等に画像表示されてしまう、という問題点が生じている。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、光を用いて対象物の表面を走査する際に、該対象物の表面の情報を従来に比べて正確に取得可能な観測システムを提供することを目的としている。

本発明における観測システムは、対象物を照明するための照明光を出射する光源部と、前記照明光を伝送する照明光伝送部と、前記照明光伝送部と前記対象物との間に配置され、前記照明光に含まれる各光線が前記対象物の表面に到達するタイミングを夫々異ならせるタイミング調整部と、前記対象物の表面からの反射光が入射される反射光入射部と、前記反射光入射部に入射された前記反射光を、時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ順次出力する光検出部と、前記光検出部から順次出力される前記電気信号を、前記対象物の表面の光学像に係る画素情報へ変換する信号処理部と、を有することを特徴とする。

本発明における観測システムによると、光を用いて対象物の表面を走査する際に、該対象物の表面の情報を従来に比べて正確に取得可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１から図４は、本発明の第１の実施形態に係るものである。図１は、本発明の第１の実施形態に係る観測システムの要部の構成を示す図である。図２は、図１の観測システムが有するプローブの構成の一例を示す図である。図３は、光学的フーリエマスクを形成する際に用いられる螺旋状パターンの一例を示す図である。図４は、図１の観測システムが有するプローブの構成の、図２とは異なる例を示す図である。

観測システム１は、図１に示すように、光源部としての光源装置２と、照明光導光部材２ａと、光検出装置３と、反射光導光部材３ａと、光方向性結合器４と、送受光ファイバ５と、プローブ６と、信号処理装置７と、表示装置８と、を有して構成されている。

光源装置２は、生体組織等の対象物１０１を照明するための照明光を出射する。また、光源装置２は、前記照明光として、パルス光または連続光を出射することが可能な構成を具備している。なお、光源装置２は、所定の帯域の光を照明光として出射する構成を具備するものであっても良く、または、フルカラー画像により対象物１０１の観察を行う場合には白色光を出射し、分光画像により対象物１０１の観察を行う場合には帯域制限をかけた光を出射する、といったように、観察の態様によって照明光の種類を切り替えることが可能な構成を具備するものであっても良い。

光方向性結合器４は、照明光導光部材２ａからの光を送受光ファイバ５へ出射するとともに、送受光ファイバ５からの光を反射光導光部材３ａへ出射するように構成されている。これにより、光源装置２からの照明光は、照明光導光部材２ａ、光方向性結合器４及び送受光ファイバ５により伝送された後、プローブ６へ入射される。すなわち、観測システム１における照明光伝送部は、照明光導光部材２ａ、光方向性結合器４及び送受光ファイバ５により構成されている。

図２に示すように、プローブ６には、基端側から先端側にかけて、送受光ファイバ５の端部、コリメートレンズ６ａ及び光学的フーリエマスク６ｂがこの順番に配置されている。すなわち、観測システム１における光学的フーリエマスク６ｂは、送受光ファイバ５の端部と、対象物１０１との間に配置されている。

コリメートレンズ６ａは、送受光ファイバ５の端部からの光を平行光として光学的フーリエマスク６ｂへ出射するとともに、光学的フーリエマスク６ｂからの光を送受光ファイバ５の端部に集光する。

タイミング調整部としての機能を具備する光学的フーリエマスク６ｂは、コリメートレンズ６ａを通過した照明光が、例えば図３に示すような、螺旋状パターンを有する光として対象物１０１へ出射されるように形成されている。なお、前記螺旋状パターンの各点は、該螺旋状パターンの中心からの距離が全て異なるものとして設定されているものとする。

これにより、プローブ６に伝送された照明光は、コリメートレンズ６ａ及び光学的フーリエマスク６ｂを経て対象物１０１へ出射される。そして、前記照明光は、対象物１０１の表面において反射した後、反射光としてプローブ６に入射される。また、前記反射光は、光学的フーリエマスク６ｂ、コリメートレンズ６ａ、送受光ファイバ５、光方向性結合器４及び反射光導光部材３ａを順次経た後、光検出装置３に入射される。なお、観測システム１における反射光入射部は、プローブ６に配置された送受光ファイバ５（の端部）であるとする。

光検出部としての光検出装置３は、反射光導光部材３ａから出射される光を受光して時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ信号処理装置７へ順次出力する。そして、このような機能を実現するために、光検出装置３は、例えば、点検出器、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ等のセンサを具備して構成されている。

信号処理部としての信号処理装置７は、光検出装置３から順次出力される電気信号を、対象物１０１の光学像に係る画素情報に変換しつつ蓄積する。そして、信号処理装置７は、前記画素情報が１画面分蓄積されたことを検出すると、該１画面分の画素情報を画像信号として表示装置８へ出力する。これにより、表示装置８には、前記画像信号に応じた対象物１０１の観察画像が表示される。

次に、観測システム１の作用について説明を行う。

まず、ユーザは、プローブ６を移動させつつ、プローブ６の先端面と対象物１０１の表面とが略平行になるように配置する。これにより、プローブ６から出射される照明光は、対象物１０１の表面に対して略垂直に出射される。

一方、ユーザは、観測システム１の各部の電源をオンすることにより、パルス光または連続光の照明光を光源装置２から出射させる。

光源装置２から出射された照明光は、照明光導光部材２ａ、光方向性結合器４、送受光ファイバ５及びコリメートレンズ６ａを経た後、光学的フーリエマスク６ｂを通過する。

光学的フーリエマスク６ｂを通過した照明光に含まれる各光線は、対象物１０１の表面に到達するまでの時間（対象物１０１の表面に到達するタイミング）が夫々異なる。すなわち、プローブ６の先端部から出射された照明光に含まれる各光線は、対象物１０１の表面において夫々異なる反射タイミングを有するように反射する。

そして、対象物１０１の表面において反射した光に含まれる各光線は、夫々異なるタイミングによりプローブ６に入射され、光方向性結合器４及び反射光導光部材３ａを順次経た後、光検出装置３に入射される。

光検出装置３は、自身に入射される光を受光して時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ信号処理装置７へ順次出力する。

信号処理装置７は、光検出装置３から順次出力される電気信号を、対象物１０１の光学像に係る画素情報に変換しつつ蓄積する。このとき、信号処理装置７により生成及び蓄積される各画素情報には、時間的に重複するものが存在しない。そのため、信号処理装置７においては、対象物１０１の平面上（表面上）における一の位置の画素情報が一意に生成されつつ蓄積される。

そして、信号処理装置７は、画素情報が１画面分蓄積されたことを検出すると、該１画面分の画素情報を画像信号として表示装置８へ出力する。これにより、表示装置８には、平面上の向きを十分に判別することが可能な対象物１０１の像が画像表示される。

以上に述べたように、本実施形態の観測システム１によれば、螺旋状パターンを有する光を生成する光学的フーリエマスク６ｂを用いることにより、プローブ６の先端部から出射された照明光に含まれる各光線が、対象物１０１の表面において夫々異なる反射タイミングを有するようにしている。その結果、本実施形態の観測システム１によれば、光を用いて対象物の表面を走査する際に、該対象物の表面の情報を正確に取得することができる。

なお、本実施形態の観測システム１は、照明光導光部材２ａ及び反射光導光部材３ａが別体的に設けられた構成を具備するものに限らず、照明光導光部材２ａ及び反射光導光部材３ａが一体的に形成された構成を具備するものであっても良い。

また、本実施形態の観測システム１は、コリメートレンズ６ａ及び光学的フーリエマスク６ｂを別々の光学部材として具備して構成されるものに限らず、例えば、コリメートレンズ６ａの機能と光学的フーリエマスク６ｂの機能とを併せ持つ一の光学部材を具備して構成されるものであっても良い。

さらに、本実施形態の観測システム１によれば、例えば、プローブ６に配置された送受光ファイバ５の端部を振動させながら送受光を行うものであっても良い。

一方、本実施形態の観測システム１は、図２に示すプローブ６の代わりに、図４に示すプローブ６Ａを用いて構成されるものであっても良い。

図４に示すように、プローブ６Ａには、基端側から先端側にかけて、送受光ファイバ５の端部、コリメートレンズ６ａ、光学的フーリエマスク６ｂ及び対物光学系６ｃがこの順番に配置されている。

対物光学系６ｃは、光学的フーリエマスク６ｂを通過した照明光の出射範囲を拡げるとともに、対象物１０１の表面において反射した光の進行方向を保持したまま通過させることが可能な構成を具備している。

そして、このような構成のプローブ６Ａを用いることにより、さらに広い範囲における対象物１０１の表面の情報を取得することが可能となる。

また、本実施形態の観測システム１によれば、光検出装置３の受光部の前段にシャッターを設けるとともに、光源装置２における照明光の出射タイミングと、該シャッターの開閉タイミングとを同期させつつ動作を行うものであっても良い。

（第２の実施形態）
図５及び図６は、本発明の第２の実施形態に係るものである。図５は、本発明の第２の実施形態に係る観測システムの要部の構成を示す図である。図６は、図５の観測システムが有するプローブの構成の一例を示す図である。

なお、以降の説明において、第１の実施形態と同様の構成を持つ部分については、詳細な説明を省略する。また、本実施形態における観測システムの構成は、第１の実施形態における観測システム１と類似の構成を有している。そのため、本実施形態においては、第１の実施形態における観測システム１と異なる部分について主に説明を行うものとする。

観測システム１Ａは、図５に示すように、光源装置２と、照明光導光部材２ａと、光検出装置３と、反射光導光部材３ａと、プローブ６Ｂと、信号処理装置７と、表示装置８と、を有して構成されている。

図６に示すように、プローブ６Ｂには、基端側から先端側にかけて、照明光導光部材２ａの端部、コリメートレンズ６１、光学的フーリエマスク６ｂ及び偏光子６２が順番に配置されている。そして、光源装置２から出射された照明光は、これらの各部を順番に経た後、対象物１０１の表面へ出射される。すなわち、観測システム１Ａにおける照明光伝送部は、照明光導光部材２ａにより構成されている。また、観測システム１Ａにおける光学的フーリエマスク６ｂは、照明光導光部材２ａの端部と、対象物１０１との間に配置されている。さらに、観測システム１Ａにおける偏光子６２は、光学的フーリエマスク６ｂと、対象物１０１との間に配置されている。

一方、図６に示すように、プローブ６Ｂには、先端側から基端側にかけて、検光子６３、コリメートレンズ６４及び反射光導光部材３ａの端部がこの順番に配置されている。そして、対象物１０１の表面において反射した光は、これらの各部を順番に経た後、最終的に光検出装置３へ伝送される。なお、観測システム１Ａにおける反射光入射部は、プローブ６Ｂに配置された反射光導光部材３ａ（の端部）であるとする。また、観測システム１Ａにおける検光子６３は、対象物１０１と、反射光導光部材３ａの端部との間に配置されている。

コリメートレンズ６１は、照明光導光部材２ａの端部からの光を平行光として光学的フーリエマスク６ｂへ出射する。

偏光子６２は、光学的フーリエマスク６ｂを通過した照明光を、第１の偏光方向に揃えつつ対象物１０１の表面へ出射する。

このような構成により、光源装置２から出射された照明光に含まれる各光線は、螺旋状パターンを有し、かつ、偏光状態が第１の偏光方向に揃えられつつ対象物１０１の表面へ出射される。

検光子６３は、対象物１０１において反射した光を、第１の偏光方向に対して直交する第２の偏光方向に揃えつつコリメートレンズ６４へ出射する。そして、このような検光子６３の作用により、対象物１０１において反射した光のうち、対象物１０１の深部（内部）において反射したものが取り除かれつつ、対象物１０１の表面において反射したもののみが抽出される。

コリメートレンズ６４は、検光子６３を経た光を反射光導光部材３ａの端部に集光する。

このような構成により、対象物１０１において反射した光に含まれる各光線は、夫々異なる反射タイミングを有し、かつ、偏光状態が第２の偏光方向に揃えられつつ反射光導光部材３ａの端部へ入射された後、最終的に光検出装置３へ伝送される。

光検出装置３は、自身に入射される光を受光して時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ信号処理装置７へ順次出力する。

信号処理装置７は、光検出装置３から順次出力される電気信号を、対象物１０１の光学像に係る画素情報に変換しつつ蓄積する。このとき、信号処理装置７により生成及び蓄積される各画素情報には、時間的に重複するものが存在しない。そのため、信号処理装置７においては、対象物１０１の平面上における一の位置の画素情報が一意に生成されつつ蓄積される。

そして、信号処理装置７は、画素情報が１画面分蓄積されたことを検出すると、該１画面分の画素情報を画像信号として表示装置８へ出力する。これにより、表示装置８には、平面上の向きを十分に判別することが可能であるとともに、表面の状態を精緻に観察可能な対象物１０１の像が画像表示される。

以上に述べたように、本実施形態の観測システム１Ａによれば、光を用いて対象物の表面を走査する際に、該対象物の表面の情報をより正確に取得することができる。

なお、検光子６３における第２の偏光方向は、偏光子６２における第１の偏光方向に対して直交するものに限らず、該第１の偏光方向に対して異なるものであれば良い。

なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更や応用が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係る観測システムの要部の構成を示す図。 図１の観測システムが有するプローブの構成の一例を示す図。 光学的フーリエマスクを形成する際に用いられる螺旋状パターンの一例を示す図。 図１の観測システムが有するプローブの構成の、図２とは異なる例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る観測システムの要部の構成を示す図。 図５の観測システムが有するプローブの構成の一例を示す図。

符号の説明

１，１Ａ 観測システム
２ 光源装置
２ａ 照明光導光部材
３ 光検出装置
３ａ 反射光導光部材
４ 光方向性結合器
５ 送受光ファイバ
６，６Ａ，６Ｂ プローブ
６ｂ 光学的フーリエマスク
７ 信号処理装置
８ 表示装置
１０１ 対象物

Claims (6)

1. 対象物を照明するための照明光を出射する光源部と、
   前記照明光を伝送する照明光伝送部と、
   前記照明光伝送部と前記対象物との間に配置され、前記照明光伝送部を通過した前記照明光に含まれる各光線が前記対象物の表面に到達するタイミングを夫々異ならせるタイミング調整部と、
   前記対象物の表面からの反射光が入射される反射光入射部と、
   前記反射光入射部に入射された前記反射光を、時間的に分解した後、電気信号に変換しつつ順次出力する光検出部と、
   前記光検出部から順次出力される前記電気信号を、前記対象物の表面の光学像に係る画素情報へ変換する信号処理部と、
   を有することを特徴とする観測システム。
2. 前記タイミング調整部は、前記照明光伝送部を通過した前記照明光を、螺旋状パターンを有する光として前記対象物へ出射することを特徴とする請求項１に記載の観測システム。
3. 前記タイミング調整部は、前記螺旋状パターンを有する光を生成する光学的フーリエマスクとして構成されていることを特徴とする請求項２に記載の観測システム。
4. 前記光源部は、前記照明光としてパルス光を出射することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の観測システム。
5. 前記光源部は、前記照明光として連続光を出射することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の観測システム。
6. 前記タイミング調整部と前記対象物との間に配置され、前記タイミング調整部を通過した前記照明光を第１の偏光方向に揃える偏光子と、
   前記対象物と前記反射光入射部との間に配置され、前記対象物の表面からの前記反射光を、前記第１の偏光方向に対して直交する第２の偏光方向に揃える検光子と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の観測システム。

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