JP2010184051A

JP2010184051A - 光干渉式距離計測装置

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Publication number: JP2010184051A
Application number: JP2009030489A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Endo; 雅和遠藤
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: JP5249073B2

Abstract

【課題】ビート周波数のバラツキに関係なく、良好な測定結果が安定して得る。
【解決手段】試料からの反射光を干渉光として受光素子で受光する干渉光学系と、受光素子から出力される受光信号を処理して距離情報を得る演算処理部と、を備える光干渉式距離計測装置において、前記演算処理部は、前記受光素子から出力された受光信号に含まれるビート成分の周波数を検出するビート周波数検出手段と、前記受光素子から出力された受光信号に含まれる必要な範囲の周波数を通過させるバンドパスフィルタであって、前記ビート周波数検出手段によって検出されるビート周波数に基づいて通過させる周波数帯域を変更可能なバンドパスフィルタと、を有し、前記バンドパスフィルタによって抽出された干渉信号に基づいて距離情報を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、光干渉を用いて距離計測を行う光干渉式距離計測装置に関する。

測定光（例えば、レーザ光、低コヒーレント光、等）を試料（例えば、生体、精密部品）に照射し、その反射光を干渉光として受光素子にて検出することにより、距離計測を行う光干渉式距離計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、光路長変更部材（例えば、参照ミラー）を移動させることによってドップラーシフトを発生させ、受光素子から出力される受光信号からビート成分を抽出することにより距離計測が行われる。

そして、従来においては、装置の仕様から予め求まるビート周波数を基準に所定のバンド幅を設定し、そのバンド幅が固定値として設定されたバンドパスフィルタを用いて，ビート成分が抽出されていた。

特開平２−２９７３３２号公報

しかしながら、従来の構成の場合、予め切り取るビート周波数が決まっている。このため、ミラーの移動速度の変動等によってビート周波数に変動が生じ、ビート周波数が上記固定値から外れると、ビート成分が取得できない場合があった。また、そのような変動を考慮してバンドパスフィルタのバンド幅を広げると、Ｓ／Ｎ比が悪くなる方向になるため、好ましいとは言えない。

本発明は、上記問題点を鑑み、ビート周波数のバラツキに関係なく、良好な測定結果が安定して得られる光干渉式距離計測装置を提供することを技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。

（１）測定光源と、該測定光源から出射された光の一部の光路長を変化させるために移動可能に配置された光路長変更部材と、受光素子と、を有し、前記測定光源から出射された光を試料に照射し、試料からの反射光を干渉光として前記受光素子で受光する干渉光学系と、前記受光素子から出力される受光信号を処理して距離情報を得る演算処理部と、
を備える光干渉式距離計測装置において、前記演算処理部は、
前記受光素子から出力された受光信号に含まれるビート成分の周波数を検出するビート周波数検出手段と、
前記受光素子から出力された受光信号に含まれる必要な範囲の周波数を通過させるバンドパスフィルタであって、前記ビート周波数検出手段によって検出されるビート周波数に基づいて通過させる周波数帯域を変更可能なバンドパスフィルタと、を有し、
前記バンドパスフィルタによって抽出された干渉信号に基づいて距離情報を求めることを特徴とする。
（２）（１）の光干渉式距離計測装置において、前記ビート周波数検出手段は、前記受光素子から出力される受光信号における周波数スペクトルを取得するスペクトル取得手段を有し、スペクトル取得手段によって取得される周波数スペクトルに基づいて前記ビート成分の周波数を検出することを特徴とする。
（３）（１）の光干渉式距離計測装置は、被検眼に向けて低コヒーレント光を照射し、被検眼からの反射光を干渉光として受光することにより被検眼の眼寸法を測定する眼寸法測定装置であることを特徴とする。

本発明によれば、ビート周波数のバラツキに関係なく、良好な測定結果が安定して得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る光干渉式距離計測装置の光学系の概略構成図である。なお、以下の実施形態では、本発明を眼寸法測定装置に適用した場合について説明する。

被検眼角膜と被検眼眼底に測定光を照射するために配置された照射光学系１０は、低コヒーレント光を出射する測定光源１（例えば、ＳＬＤ）と、測定光源１から出射された光束を平行光束とするために配置されたコリメータレンズ３と、光源１から出射された光を分割するビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５の透過方向に配置された第１三角プリズム（コーナーキューブ）７と、ビームスプリッタ５の反射方向に配置された第２三角プリズム９と、偏光ブームスプリッタ１１と、１／４波長板１３と、を有する。

光源１から出射された光（直線偏光）は、コリメータレンズ３によってコリメートされた後、ビームスプリッタ５によって第１測定光（参照光）と第２測定光とに分割される。そして、分割された光は、三角プリズム７（第１測定光）及び三角プリズム９（第２測定光）によって反射されて各々折り返された後、ビームスプリッタ５によって合成される。そして、合成された光は、偏光ビームスプリッタ１１によって反射され、１／４波長板１３によって円偏光に変換された後、少なくとも被検眼角膜と眼底に照射される。このとき、測定光束は、被検者眼にて反射されると、１／２波長分位相が変換される。

照射光学系１０によって照射された測定光による角膜反射光と眼底反射光による干渉光を受光するために配置された受光光学系２０は、１／４波長板１３と、偏光ビームスプリッタ１１と、集光レンズ１９と、受光素子２１と、を有する。なお、受光素子２１としては、例えば、受光感度の高いアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）が用いられる。

光源１による角膜と眼底からの反射光は、１／４波長板１３によって直線偏光に変換される。その後、偏光ビームスプリッタ１１を透過した反射光は、集光レンズ１９によって集光された後、受光素子２１によって受光される。

なお、三角プリズム７は、光路長を変更させるための光路長変更部材として用いられ、駆動部７１（例えば、モータ）の駆動によってビームスプリッタ５に対して移動される。また、プリズム７の駆動位置は、位置検出センサ７２（例えば、ポテンショメータ、エンコーダ、等）によって検出される。

なお、以上の説明において、光路長変更部材は、光路分割部材によって分割される測定光路のいずれかに配置され、分割された測定光路間の光路差が調整されるように移動されればよい。具体的には、光路長変更部材及び光路分割部材は、図１のように照射光学系１０の光路中に配置される他、受光光学系２０の光路、又は照射光学系１０と受光光学系２０の共通光路に配置された構成であってもよい。

次に、本実施形態に係る装置の制御系について説明する。制御部８０は、光源１、受光素子２１、駆動部７１、位置検出センサ７２、メモリ８５、信号処理部３０、等が接続される。制御部８０は、受光素子２１から出力される受光信号を処理して被検眼の眼寸法（例えば、眼軸長）を得る演算処理部としての役割を有する。また、メモリ８５には、求められた測定値などが記憶される。

ここで、制御部８０は、受光素子２１から出力される受光信号を処理するための信号処理部３０を有する。信号処理部３０には、Ａ／Ｄ変換部３８と、信号記憶部３９と、分離部３１と、バンドパスフィルタ３２と、スペクトル検出部３４と、ビート周波数検出部３６と、が設けられている。Ａ／Ｄ変換部３８は、受光素子２１から出力される受光信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するための構成である。信号記憶部３９は、デジタル信号に変換された受光信号を記憶するための構成である。分離部３１は、信号記憶部３９から出力される信号を二分し、バンドパスフィルタ３２とスペクトル検出部３４とに送るための構成である。バンドパスフィルタ３２は、受光素子２１から出力される信号に含まれる必要な範囲の周波数を通過させ、不要な周波数成分（例えば、干渉光学系における定常ノイズ、もしくは回路上での電気的ノイズ）を除去するための構成である。スペクトル検出部３４は、受光素子２１から出力される信号を周波数スペクトルに変換するための構成である。ビート周波数検出部３６は、スペクトル検出部３４から出力される周波数スペクトルに基づいてビート周波数を検出するための構成である。なお、ビート周波数検出部３６によって検出されたビート周波数は、バンドパスフィルタ３２に入力され、通過させる周波数帯域の設定に用いられる。なお、上記信号処理部３０に設けられた各構成は、各種電気回路（例えば、ＦＰＧＡ）によって形成可能である。

上記のような構成を備える装置の動作について説明する。被検者眼と装置とが所定の位置関係に置かれた後、制御部８０によって光源１が点灯されると、照射光学系１０によって測定光が被検眼に照射されると共に、測定光による被検眼からの反射光が受光光学系２０の受光素子２１に入射される。

また、制御部８０は、駆動部７１の駆動を制御し、第１三角プリズム７を移動させ、受光素子２１によって干渉光が検出されたタイミングを元に、被検眼の眼軸長を算出する。

ここで、プリズム７が移動された状態で、プリズム７を介して角膜に照射された第１測定光の光路長と，プリズム９を介して眼底に照射された第２測定光の光路長と，が一致されたとき、光源１による角膜反射光と眼底反射光との干渉光が受光素子２１に受光される。このとき、干渉光による干渉信号が信号処理部３０を介して受光素子２１から制御部８０へと出力され、眼軸長値が算出される。

図２は、受光素子２１から出力される受光信号Ｉ（ｔ）をフーリエ解析したときの周波数スペクトルＩ（ｆ）を示すグラフである。なお、受光信号Ｉ（ｔ）は、プリズム７が初期位置から所定方向に移動されたときに、受光素子２１から出力される受光信号の出力レベルの時間的な変化を表すものである。また、図２において、横軸が周波数ｆ、縦軸がスペクトルの振幅であり、周波数スペクトルＩ（ｆ）は、受光信号Ｉ（ｔ）における周波数毎の振幅レベルを表す。ここで、周波数スペクトルＩ（ｆ）におけるピークを示す周波数がビート周波数νｄに相当する。ビート周波数νｄは、受光信号Ｉ（ｔ）に含まれるビート成分の周波数である。受光信号Ｉ（ｔ）におけるビート成分は、第１測定光と第２測定光との干渉光のうねり（ビート）によるものであり、プリズム７の移動によって第１測定光の周波数が変化される（ドップラーシフト）ことによって生じる。この場合、ビート成分は、光路長の一致によって第１測定光と第２測定光との干渉光が生じたときに発生する。このため、受光信号Ｉ（ｔ）におけるビート成分を抽出することにより、受光信号Ｉ（ｔ）に含まれる干渉信号を抽出できる。

ここで、駆動部７１によって移動されるプリズム７の移動速度をＶ、光源１から出射される低コヒーレント光の中心波長をλｃとすると、ビート周波数νｄは、νｄ＝２Ｖ／λｃとして表される。すなわち、プリズム７の移動速度Ｖの変化によって、ビート周波数νｄが変化される（例えば、数ｋＨｚ程度）。したがって、移動速度Ｖの変動によって受光信号に含まれるビート成分の周波数が，バンドパスフィルタ３２によって抽出される周波数帯から外れてしまい、受光信号に含まれるビート成分が検出できない可能性がある。

以下に、受光素子２１から出力される受光信号を処理して眼軸長値が算出されるまでの一連の流れについて図３のフローチャートを用いて説明する。信号処理部３０は、受光信号Ｉ（ｔ）における周波数スペクトルＩ（ｆ）を取得し、その周波数スペクトルＩ（ｆ）に基づいて各測定におけるビート周波数νｄを検出する（図３のフローチャート参照）。そして、信号処理部３０は、検出されたビート周波数Ｖｄを中心とする周波数帯域における受光信号を抽出することにより、干渉光による干渉信号を抽出する。

より具体的には、図１に示すように、受光素子２１から出力される受光信号は、Ａ／Ｄ変換部３８によってデジタル信号に変換された後、信号記憶部３９によって一旦記憶される。そして、信号記憶部３９から出力される信号は、分離部３１によって二分され、バンドパスフィルタ３２とスペクトル検出部３４に入力される。

ここで、受光素子２１から出力される受光信号Ｉ（ｔ）が分離部３１を介してスペクトル検出部３４に入力されると、タイムドメインの信号である受光信号Ｉ（ｔ）がフーリエドメインの信号である周波数スペクトル（スペクトル信号）Ｉ（ｆ）に変換される。

次に、スペクトル検出部３４から出力される検出信号がビート周波数検出部３６に入力されると、周波数スペクトルＩ（ｆ）の中でピークを示す周波数がビート周波数νｄとして検出される。その後、ビート周波数検出部３６から出力される検出信号は、バンドパスフィルタ３２に入力される。

バンドパスフィルタ３２は、ビート周波数検出部３６から出力されたビート周波数νｄに基づいて，通過させる周波数帯域を変更する。例えば、バンドパスフィルタ３２は、ビート周波数νｄを中心とするバンド幅ｆｗ（ｆｗの値は予め設定が可能）を、バンドパスする周波数帯域として設定する（図３参照）。

上記のように周波数帯域の設定がなされたら、信号記憶部３９に記憶された信号が再度出力される。この場合、ビート周波数νｄを中心とするバンド幅ｆｗに相当する周波数成分がバンドパスフィルタ３２を通過され、干渉信号として制御部８０に入力される。また、他の周波数成分は、バンドパスフィルタ３２によって不要な周波数成分として除去される。

その後、制御部８０は、周波数帯域の設定後に取得された干渉信号に基づいて眼軸長値を算出する。この場合、被検眼の眼軸長に対応する干渉信号が検出されたときのプリズム７の移動位置は、位置検出センサ７２から出力される信号に基づいて検出可能である。したがって、眼軸長値は、例えば、所定の演算式又はテーブル表等を用いてプリズム７の移動位置と被検眼の眼軸長との関係を予め求めておくことにより算出できる。また、算出された眼軸長値は、装置に設けられた図示なきモニタ又はプリンタ等に出力できる。この場合、干渉信号が検出されたときの時間Ｔと眼軸長との関係を予め求めておくことによって眼軸長を算出するようにしてもよい。

以上示したように、上記構成においては、プリズム７の移動速度Ｖによって変動されるビート周波数νｄが検出でき、バンドパスフィルタ３２によって抽出される周波数帯域がビート周波数νｄに応じて調整できる。したがって、プリズム７の移動速度Ｖにバラツキが生じても、安定かつ高Ｓ／Ｎ比の干渉信号を取得できる。

なお、上記構成においては、信号処理部３０のようなハードウェア（回路構成）を用いたが、これに限るものではなく、ソフトウェアによる演算処理を用いて同様の処理が行われるようにしてもよい。例えば、制御部８０は、受光素子２１から出力される受光信号Ｉ（ｔ）をフーリエ解析し、周波数スペクトルＩ（ｆ）を取得する。そして、取得された周波数スペクトルＩ（ｆ）を用いてビート周波数νｄを検出する。そして、制御部８０は、検出されたビート周波数νｄに基づいて、ソフトウェアにて構築されたバンドパスフィルタによって抽出する周波数帯域を変更する。これにより、受光素子２１から出力された受光信号Ｉ（ｔ）において、ビート周波数Ｖｄを中心とする周波数帯域における受光信号が干渉信号として抽出される。その後、制御部８０は、抽出された干渉信号を用いて眼軸長を測定する。

なお、以上の説明においては、受光信号の周波数スペクトルを取得することによってビート周波数νｄが検出される構成としたが、これに限るものではない。ビート周波数νｄは、プリズム７の移動速度Ｖによって変化される。そこで、位置検出センサ７２から出力される検出信号に基づいてプリズム７の移動速度Ｖを検出し、数式νｄ＝２Ｖ／λｃを用いて，ビート周波数νｄを求めるような構成であってもよい。ただし、位置検出センサ７２を用いる場合、位置検出センサ７２による検出精度のバラツキが生じる可能性がある。したがって、ビート周波数νｄの検出精度を考慮すると、上記のように周波数スペクトルを検出する方式の方がより好ましいと思われる。

また、上記説明においては、試料（サンプル）からの反射光同士（角膜反射光と眼底反射光）を干渉させる構成としたが、これに限るものではない。すなわち、光源から出射された光を分割するビームスプリッタ（光分割部材）と、サンプルアームと、レファレンスアームと、干渉光を受光するための受光素子と、を有し、サンプルアームを介して試料に照射された測定光とレファレンスアームからの参照光とによる干渉光を受光素子により受光する光干渉光学系を備える光干渉式距離測定装置であっても、本発明の適用は可能である。この場合、サンプルアーム及びレファレンスアームの少なくともいずれかに光路長変更部材が配置される。

なお、上記構成においては、光干渉式距離測定装置として、眼軸長測定装置を例にとって説明したが、これに限るものではない。すなわち、測定光源と、測定光源から出射された光の一部の光路長を変化させるために移動される光路長変更部材と、受光素子と、を有し、測定光源から出射された光を試料に向けて照射し、試料からの反射光を干渉光として受光素子にて受光する干渉光学系と、受光素子から出力される受光信号を処理して距離情報を得る演算処理部と、を備える装置であれば、本発明の適用が可能である。具体的には、干渉光学系に設けられた受光素子から出力される受光信号を処理して試料（例えば、圧電素子、ハードディスク、等）に対する距離を検出することによって、試料の変位量を求めるヘテロダイン方式の変位計が挙げられる。

本実施形態に係る光干渉式距離計測装置の光学系の概略構成図である。受光素子２１から出力される受光信号Ｉ（ｔ）をフーリエ解析したときの周波数スペクトルＩ（ｆ）を示すグラフである。受光素子から出力される受光信号を処理して眼軸長値が算出されるまでの一連の流れについて示すフローチャートである。

１測定光源
５ビームスプリッタ
７三角プリズム（光路長変更部材）
１０照射光学系
２０受光光学系
２１受光素子
３０信号処理部
３２バンドパスフィルタ
３４スペクトル検出部
３６ビート周波数検出部
８０制御部

Claims

測定光源と、該測定光源から出射された光の一部の光路長を変化させるために移動可能に配置された光路長変更部材と、受光素子と、を有し、前記測定光源から出射された光を試料に照射し、試料からの反射光を干渉光として前記受光素子で受光する干渉光学系と、
前記受光素子から出力される受光信号を処理して距離情報を得る演算処理部と、
を備える光干渉式距離計測装置において、
前記演算処理部は、
前記受光素子から出力された受光信号に含まれるビート成分の周波数を検出するビート周波数検出手段と、
前記受光素子から出力された受光信号に含まれる必要な範囲の周波数を通過させるバンドパスフィルタであって、前記ビート周波数検出手段によって検出されるビート周波数に基づいて通過させる周波数帯域を変更可能なバンドパスフィルタと、を有し、
前記バンドパスフィルタによって抽出された干渉信号に基づいて距離情報を求めることを特徴とする光干渉式距離計測装置。
請求項１の光干渉式距離計測装置において、前記ビート周波数検出手段は、前記受光素子から出力される受光信号における周波数スペクトルを取得するスペクトル取得手段を有し、スペクトル取得手段によって取得される周波数スペクトルに基づいて前記ビート成分の周波数を検出することを特徴とする光干渉式距離計測装置。
請求項１の光干渉式距離計測装置は、被検眼に向けて低コヒーレント光を照射し、被検眼からの反射光を干渉光として受光することにより被検眼の眼寸法を測定する眼寸法測定装置であることを特徴とする光干渉式距離計測装置。